紫金山天文台发现暗物质粒子湮灭证据较为详细的报道

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来源：cnBeta

2008年11月20日，《Nature》上发表紫金山天文台与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》（An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV）。该工作是紫金山天文台空间天文实验室与国外同行十年艰苦工作的总结。

暗物质的存在已经有很强的证据，但暗物质究竟是什么，直到目前还不清楚，暗物质探测成为目前科学界最大热点之一。紫金山天文台与美国、德国、俄罗斯有关单位自1998年开始合作，研制和不断改进探测器，利用美国南极长周期气球项目（ATIC，先进薄电离量能器）观测高能电子。研究发现：电子能谱在 3000-8000亿电子伏特能量区间，与理论结果比较有一个很强的“超”，分析表明该“超”可能是暗物质粒子湮灭的产物，观测结果与暗物质理论预言的 Kaluza-Klein 粒子模型（粒子质量6200亿电子伏特）吻合得很好。该结果如果正确，不光是解决暗物质是什么这个难题，同时暗示宇宙存在额外维，可能导致物理学方面的重大突破。

该项研究共有20位合作者，涉及中国、美国、德国、俄罗斯等国家7个研究单位，紫金山天文台为第一单位，负责科学思想的提出、高能电子探测技术、观测数据分析、理论研究和文章的成文（论文中Author Contribution所述)。

该项研究成果引起科学界广泛关注。据悉，《Nature》为了宣传该论文的科学意义，对第一作者——紫金山天文台研究员常进进行了专访，并配以照片，刊登在同期刊物上。《Nature》还在同期“News & View”栏目进行了专门报道。《Science》将以“Dark Matter Story” 为题重点介绍该成果。此外，英国的《新科学家》（New Scientist）,美国《纽约时报》（New York Times）、美国航空航天局科学中心《science@nasa》等国外主流媒体都将在11月20日或稍后对该成果进行报道。评论普遍认为，该观测如果被证实，将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。同时在天文观测中，开启了一个新的“窗口”，意义十分重大。

瑞典斯德哥尔摩大学，暗物质理论专家Lars Bergstrom教授，对《Science》记者说：ATIC数据与Pamela数据吻合很好，一方面ATIC测量了电子和正电子流量总和，另一方面测量了更高能量范围的上升，并看到了流量下降，所以从ATIC测量结果看，目前的探测结果更像暗物质粒子湮灭。

当然目前电子的观测精度还不高，该“超”也不能完全排除来自于近地附近的特殊天体（尽管目前已知天体的X-Ray 和伽玛射线观测，排除了这种可能）。即使这样，这一结果也很有意义，这是人类第一次直接探测到来自于“天体”的高能粒子。英国爱丁堡大学Taylor教授对《New Scientist》记者说：“即使最后证明该超不是暗物质产生的，ATIC观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义重大。”

工作背景：

国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱一直是空白，因为在空间观测高能电子是一件十分困难的事情，主要问题是如何将高能电子从大量的宇宙线本底中找出来（宇宙线本底流量比高能电子流量高100到1000倍以上），常用的空间磁谱仪方法（类似于AMS），技术复杂，价格昂贵。紫金山天文台空间天文试验室一直工作在国际前沿，希望找到一种简单便宜的方法，在空间观测高能电子。

美国南极长周期气球项目“ATIC”原来的科学目标是在空间观测高能宇宙线，电子和伽玛射线不在其列。1998年，紫金山天文台常进研究员与 “ATIC”接触，提出用探测器观测高能电子的建议。紫台通过大量的计算，证明适当地修改设计，“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线，结果被 “ATIC”项目组初步接受。1999年，课题组专门将探测器运到欧洲核子中心进行实验，测试结果表明我们的探测方法完全可行。2001年，探测器在南极进行了第一次试观测，观测结果表明“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线。2002年，探测器在南极进行了正式观测，获得完全成功。2007 年，ATIC进行了第四次观测（2005年，第三次观测因为气球的原因没有成功），紫金山天文台专门派人去南极美国基地负责电子观测。探测器专门为了观测电子进行了修改，能量分辨提高了2倍，本底降低了5倍。初步分析表明，观测结果与前几次观测吻合得很好。

名词解释：暗物质

1937年，天文学家弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。最新天文观测表明：宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙的２5％，暗能量占７0％，而我们通常理解的物质只占宇宙质量的5%。宇宙“暗”的一面，主宰了整个宇宙。尽管天文大尺度观测结果间接验证了暗物质的存在，但物理上直接的观测证据到现在还没有找到。

名词解释：额外维

“维”是表示空间或图形的广延性而使用的一个概念。爱因斯坦提出宇宙是空间（三维）和时间（一维）合起来组成的“四维时空”。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空（即三维空间加上时间）上再添加一个空间维，也就是添加一个第五维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方程式可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。后来，凡是这样添加的维都叫做“额外维”。即空间是３＋N维的。这些N个额外维被局限在极小的空间尺度内。

科学家首次找到暗物质粒子湮灭证据(组图)

来源：SINA


在南极探测暗物质粒子的试验气球


载有先进探测设备的实验气球


欧美科学家此前绘制出的宇宙暗物质三维图

　　新浪科技讯北京时间11月21日消息，据国外媒体报道，暗物质约占整个宇宙量的23%，但长期以来，科学家们一直没有找到暗物质存在的直接证据。一个由多国科学家组成的研究小组日前表示，他们在实验中首次发现了暗物质粒子湮灭的证据。如果这一成果最终被证实，将会是现代物理学研究上最重大的突破之一。

　　首次找到暗物质粒子湮灭证据

　　在最新一期出版的英国《自然》杂志上，来自美国、中国、德国和俄罗斯等国的科学家联合公布了他们的这一最新研究成果。美国路易斯安那州立大学教授约翰-卫菲尔表示，天文观测已经表明，宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量，其中普通物质仅占5%左右，而暗物质则占了大约23%。尽管从上世纪 30年代开始，天文大尺度观测实验多次间接验证了暗物质的存在，但物理上直接的观测证据到现在还没有找到，人类直到现在还没有弄清楚暗物质的物理本质。在美国“南极长周期气球项目”(ATIC)中，来自多个国家的科学家经过近10年的观测和研究，最终发现一些不明来历的高能电子很可能是暗物质粒子湮灭的证据。

　　约翰-卫菲尔介绍说，在进行暗物质的数据监测时，他们在南极洲上空释放了一个载有粒子监控设备的探测气球，并最终得到了令科学家们感到满意的暗物质粒子数据。美国“南极长周期气球项目”的最主要目标就是在空间观测高能宇宙线。科学家们早在1998年就提出可对其探测设备进行一定程度的改进，该探测器将可以同时观测高能电子和伽马射线。2000年，重达2吨的探测器在南极洲正式升空并进行观测，这是世界上首次对高能电子进行高分辨观测。科学家表示，以往学界普遍认为高能电子来源于超新星遗迹，并建立了太阳系高能电子流量模型。但在南极洲的第一次观测结果表明，高能电子流量在3000亿至8000 亿电子伏特能量区间远远超出了模型预计流量。这就意味着宇宙高能电子还有别的“起源”。

　　科学家们表示，高能电子究竟来自何处存在很多种可能，经过分析，他们发现观测结果与目前暗物质理论模型相吻合，表明这些不明来源的高能粒子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。这样的研究结果让科学家们感到非常激动，但研究小组组认为还需要对这一结果进行多次观测验证。为了进一步证实研究结果，此后的7年间，科学家们不断改进设备和观测方法的基础上，又在南极进行了2次成功观测。加上此前的观测，他们共观测到3000多万个宇宙线粒子，经过层层筛选，他们最终找到210个高能电子。这些结果均与第一次观测结果吻合，让研究人员对自己的观测结果确信无疑。

　　这些高能电子的能谱流量与目前暗物质理论预言的粒子模型吻合，所得到的低能参数也与欧洲与俄罗斯耗费数亿美元研制的、专门用于寻找暗物质粒子湮灭证据的磁谱仪探测器PAMELA所得到的结果完全吻合。这就表明这些不明来源的高能电子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。目前高能电子的观测精度还可以进一步提高，并不排除这些不明来历的高能电子来自于太阳系附近的特殊天体。即使这样，这也是人类第一次直接观测到来自于“特殊天体”的高能电子。科学家表示，他们的研究目前才刚刚开始，要想得出最终的结论还有很长的路要走。今后，研究小组将进一步提高观测设备精度，以期得出更加翔实的数据并找到更为充分的证据。

　　暗物质的奥秘仍有待破解

　　几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。

　　在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现。如果人类不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞，但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。

　　暗物质无法被人类直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。新理论认为，在地球与月球之间存在着大量神秘的暗物质。这一观点也许可以用来解释所谓的“飞行异常”奇怪现象。当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程中，所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程。而根据已知的万有引力定律，不应该出现这种现象。于是有些科学家认为，这种飞行异常表明现有物理定律以及万有引力定律存在问题，爱因斯坦的广义相对论需要修正。当然这只是一种较为激进的看法。(刘妍)

[ 本帖最后由 beta1 于 2008-11-23 16:04 编辑 ]

Fred

貌似无后续报道额……
[S::$:]