http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-02-26
丁肇中：暗物质研究进展“很好”
本报讯 (记者张懿)人类历史上最昂贵的科学实验即将公布第一份科学报告，其内容可能涉及对宇宙的组成、演变起到关键作用的暗物质的信息。主持这项实验的是华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中，昨天从美国向本报回复电子邮件表示，研究进展“很好”。
理论上，暗物质的总量大约是我们身边常规物质的6倍，缺了它，宇宙、星系也许会四分五裂，但科学家从未真正发现它；换句话说，不了解暗物质，人类的知识就存在大量空白。
目前，全世界的物理学家都在等待丁肇中团队的这第一篇文章。最初的消息来自几天前，丁肇中在参加美国科学促进会年会时透露，这篇论文正在进行最后的审校，将在两到三周后发表。他说文章将与暗物质有关，但不愿透露更多细节，包括论文将以何种形式发表。
实际上整个理论物理学界都在等待这篇文章。国内外媒体都对此投入了巨大的热情，一些报道以“丁肇中团队可能发现暗物质”为题刊发。
在给本报记者 发来的邮件中，丁肇中委托他所在的麻省理工学院同事向本报表示，研究进展很好，但此前媒体的报道不完全正确。
丁肇中在接受采访时曾表示，这篇论文绝非一篇次要的文章，它是朝着人类认识暗物质方向前进的“一小步”，但不是最终答案。
与丁肇中长期在暗物质探索领域合作的知名理论物理学家、台湾“中央研究院”院士李世昌在另一封邮件中回复本报记者说，他无法透露更多论文的细节，目前来看，成果是“第一步的显著的进展”。但他也表示，这次成果尚无法用“发现暗物质”来描述。
丁肇中主持的这项研究，立项至今已18年，耗资20亿美元，由全球科学家共同参与完成，包括中国多所高校也参与其中，投入了大量努力和资金。研究的核心是史上第一台在太空运行的高能粒子探测器——阿尔法磁谱仪(AMS)，它能绘制出宇宙射线的高精度图谱。理论上，宇宙射线可能含有暗物质存在的重要线索，比如常规物质作用时无法生成的某些反物质粒子。AMS的任务就是发现并分析、解读这本来自宇宙的“无字天书”。
本报高级记者 姚诗煌曾多次前往瑞士日内瓦欧洲核子中心的丁肇中实验室采访，他说，丁肇中对这篇论文异常谨慎，希望避免任何人为错误。在目前这个时间节点发表，完全是符合他所了解的时间表。
丁肇中透露，这篇论文已经进行了30次修正，以使所有参与这项研究的科学家都认可。
李世昌说，目前来看，AMS工作完全符合预期。他认同记者的观点：人类很有可能正处在一个新的物理大发现的前夜。
[北京晚报]
太空最昂贵实验将传回首批数据：或发现暗物质
阿尔法磁谱仪（又译反物质太空磁谱仪，简称AMS）于2011年被放置到国际空间站（ISS）
穿越辐射探测器（Transition Radiation Detector）能检测高能粒子的速度；硅追踪器（Silicon Trackers）用于追踪粒子的运动轨迹，轨迹的弯曲程度显示了粒子的电荷；永磁铁（Permanent Magnet）是阿尔法磁谱仪的核心部件，能令粒子轨迹弯曲；飞行时间计算器（Time-of-flight Counters）能计算低能粒子的速度；星体追踪器（Star Trackers）能扫描星域，以确定阿尔法磁谱仪在太空中的朝向；切伦科夫探测器（Cerenkov Detector）可精确计算快速通过的粒子速度；电磁量能器（Electromagnetic Calorimeter）用于计算影响粒子运行所需的能量；反符合计数器（Anti-coincidence Counter）可将干扰粒子过滤出去。
在宇宙的遥远天体之间，引力的作用并不能解释天文学家看到的一切，如果只有这些天体的引力，那各个星系应该处于分崩离析的状态，因此在各个星系之间，还存在把它们联接在一起的物质。天体物理学家将这种理论中的物质称为“暗物质”，我们看不见它们，但它们确实在星系间起着作用。在最大的距离尺度上，宇宙正在加速扩张。因此我们更需要关注与引力作用截然不同的暗物质。目前的理论估计，宇宙的73%为暗能量，23%为暗物质，而只有4%是我们已知的物质。
新浪科技讯 北京时间2月20日消息，据国外媒体报道，作为人类在太空中进行的最为昂贵的实验，阿尔法磁谱仪(简称AMS)项目即将向地球发送回首批观测数据。这个大型的实验装置被放置在国际空间站上，用于探测宇宙射线及高能粒子。
诺贝尔物理学奖获得者丁肇中称，将于未来几周内发表涉及暗物质的研究论文。阿尔法磁谱仪项目最初便是由丁肇中提议开始。在宇宙中，正是那些我们看不见的暗物质将各个星系联接在一起。研究者并不了解这些谜一般的宇宙物质如何构成，但有理论提出，大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)是暗物质最有希望的候选者，这是一种尚处于理论阶段的粒子。
虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子，但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在，并描述它的性质。即将刊出的研究论文(发表期刊还未确定)将对这项研究的进展作详细阐述。
丁肇中在麻省理工学院任物理学教授，他在20世纪90年代中期提出的这个项目如今到了一个重要的里程碑时刻。“我们等待了18个月来写这篇论文，如今到了最后审视的阶段，”丁教授在波士顿的一次美国科学促进会(AAAS)的年会上发言道，“我预计在未来两到三周内，我们就能发布研究成果。我们一共有六个分析小组对相同的数据结果进行分析。如你所知，每个物理学家都有他们自己的见解，我们现在要保证每个人都能同意彼此的观点。这项工作现在已经完成得差不多了。”
20亿美元的机器：“探索未知”
2011年，造价20亿美元的阿尔法磁谱仪搭载奋进号航天飞机前往国际空间站，这也是奋进号的最后一次任务。阿尔法磁谱仪重达7吨，拥有一个巨大的特制超导磁铁，能使落在它上面的粒子轨迹发生弯曲。
粒子的弯曲轨迹显示了它的电荷，再通过一系列的探测器对粒子的质量、速度和能量等进行分析，科学家便能准确知道捕获的是什么粒子。据丁肇中教授称，在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中，已经探测了250亿次粒子事件。
暗物质和暗能量之谜
在这些粒子事件中，有近80亿次是快速运动的电子及与其对应的反物质——正电子。理论上，大质量弱相互作用粒子的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例，以及在能量谱上的行为变化，科学家或许能找到研究暗物质问题的途径。
“在对正电子和电子的观测中，如果发现二者比例突然上升然后急剧下降，那就是星系中暗物质湮灭的关键标志，”芝加哥大学卡弗里宇宙学研究所的迈克尔·特纳(Michael Turner)教授说，“在能量体系中也要考虑，是否具有各向异性？正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现？”
特纳教授并未参与阿尔法磁谱仪的合作项目。他继续说道：“暗物质应该无所不在。因此如果我们发现正电子从某个特定的方向发出，就意味着该信号是来自像脉冲星(一种中子星)一类的天体，而不是暗物质。”据悉，此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0.5至350GeV(10亿电子伏特)质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中，科学家认为可能发现暗物质的上限。
特纳教授说，科学家已经逐渐接近了目标。他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通过一系列的研究，包括利用大型强子对撞机制造WIMP等，暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。
“理论上，这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间，即在30至大约1000GeV之间，”特纳教授说，“大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子，丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭，而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。如果非常幸运的话，我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号，分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子，这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。”(任天)
[新浪网]
丁肇中团队宣布发现暗物质候选体存在证据
本报记者 吴月辉
核心阅读
暗物质是一种特殊物质，很可能是一种不参与电磁相互作用、我们已知粒子之外的全新粒子
据估算，我们所知的常规物质只占宇宙构成的4%，暗物质和暗能量分别占23%和73%
揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃
在18日举行的美国科学促进会年会上，美国麻省理工学院物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布，阿尔法磁谱仪发现了弱作用重粒子(WIMP)存在的证据，而WIMP就是一种暗物质的候选体。丁肇中称，将于未来两到三周发表涉及暗物质的研究论文，对这项研究的进展作详细阐述。据报道，这次研究成果在丁肇中看来是朝着人类认识暗物质方向前进的重要一步，但不是最终答案。
不管此次阿尔法磁谱仪是否发现了暗物质，各国科学家们都希望有关暗物质起源的问题能够变得更加明朗。
23%的“未知”
人类所知的常规物质只占宇宙的4%，未知领域的暗物质占据了23%
什么是暗物质？在回答这个问题以前，我们先回顾一段有趣的历史。
自从牛顿发现了万有引力定律以来，人们尝试用万有引力理论来解释太阳系的行星运动规律。尽管万有引力的解释在开始时是非常成功的，但在解释天王星运动时却无法得到令人满意的结果，天王星的运动规律和万有引力的预言有明显的差异。法国天文学家U.Le Verrier和英国天文学家J.C.Adams猜测天王星的异常也许不是万有引力规律出了问题，而是在太阳系中还存在一颗当时还没有发现的行星，这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了原来预期的轨道。根据他们的预言，于1846年由J.G.Galle发现了这颗行星，即海王星。
“由行星运动异常从而猜测到另外一颗未发现的行星的存在，非常类似今天我们关于暗物质的认识。”中科院高能物理所研究员毕效军说。
大约80年前，天文学家意外发现，一些星系团中的星系运动速度比预想中更快，光靠所看到的这些发光物质(当时人们还没发现星系团中大量存在X射线气体，它们才是星系团中普通物质的主体)所产生的引力场根本无法束缚住它们。因此，大家便猜测这些星系团中应该有种看不见的神秘物质，也一起贡献着引力，拉住了星系。
“虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质，但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动的影响，这就是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”毕效军说。
这种物质的存在，在随后几十年中，又相继被各种天文观测间接证明。
目前被广为接受的说法认为，它们是一种特殊的物质，很可能是一种不参与电磁相互作用的、我们已知的粒子(如质子、电子、中子等)之外的全新粒子。
“这种物质不发光，也就是不发出电磁波，所以看不见。于是，我们就称它为暗物质。”中科院高能物理所研究员、博士生导师张新民说，“与通常物质一样，暗物质有引力作用。这个引力效应让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而组成我们身边这个世界的‘常规物质’只占4%。”
第一难题
暗物质是现代物理学的最大乌云，研究它有助于了解星系的演化和物质构成规律
虽然，人们早已经猜测到暗物质可能存在，但一直以来从未明确探测到暗物质粒子，因此，还不能确定暗物质的性质。
目前，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。世界各国都在集中人力、物力和财力组织攻关，开展这一重大交叉学科的研究。
2004年8月，美国国家科学与技术委员会公开发布的物理与天文学发展战略中，列出了新世纪要解答的11个难题，排在第一位和第二位的分别是“什么是暗物质”、“暗能量的本质是什么”。
那么，探测和研究暗物质，其意义何在？
诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”
其实，很多物理学家和天文学家都开始有这样的预感：今天物理学的情况与19世纪末20世纪初诞生相对论和量子论时非常类似。
“历史经过百年轮回，人类对物质世界的认识又一次处在了十字关口，暗物质便是一个关键突破口。因此，可以这么说，揭开暗物质之谜将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃。”国家天文台研究员秦波说。
对此，张新民又做了进一步的解释。
“对于宇宙中4%的物质，即所谓的通常物质，我们已经建立了一套非常完备的理论，即所谓标准模型，进行描述。但是标准模型并不能描述宇宙中暗物质的现象。这就表明，我们对于物质的基本组元、基本结构还有待进一步的深入研究。而暗物质是目前最明确的突破了标准模型的观测现象，了解暗物质的性质就可能带我们走进基本粒子更加深入细微的结构中，了解更加深刻、基本的物质构成的规律。在另一方面，了解暗物质的性质对于我们理解宇宙中像星系、星系团这样的大尺度的结果是如何在宇宙演化过程中形成也同样具有重要的意义。
捕捉“220千米/秒”
暗物质以220千米/秒高速运动、与普通物质相互作用弱难以探测，捕捉它需“上天入地”
暗物质之所以“暗”，不仅是指它不发光，更重要的是它太难捉摸。
“每天可能有几万亿个暗物质以高速穿过你的身体，且未留下任何痕迹，让你完全感受不到。”张新民做了个比较，56式半自动步枪子弹出膛的速度是每秒700米，而这些暗物质粒子却是以每秒220千米的高速在运动，是前者的300倍。
如何“捕捉”住暗物质？
首先，科学家们曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测，例如，惰性中微子(Sterile neutrino)温暗物质、引力微子(Gravitino)温暗物质、轴子(Axion)冷暗物质等。
张新民说：“就目前而言，被研究得最多也是最被粒子物理学家看好的暗物质模型是所谓弱作用重粒子。主要因为这种粒子与普通物质有弱相互作用，所以具有可探测性。相比之下，对于许多其他的暗物质模型，由于其与普通物质的相互作用更弱，在目前的实验水平下使得探测它们的可能性更小。”
接着，科学家们又想了很多种实际探测的实验办法。
最初的办法是天文观测法，但是却无法解答“暗物质是什么”。后来，人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞产生的信号。而在地面上，因为宇宙射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。
“丁肇中团队所使用的阿尔法磁谱仪2号(AMS—02)当然是目前灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段。在此之前，在不同的实验上都看到了一些‘反常’迹象，人们怀疑这些就是暗物质的信号，但是，由于实验的灵敏度还不够，这些迹象都还无法确认为暗物质的信号。”毕效军说。
除了阿尔法磁谱仪，其他实验，例如位于瑞士的大型强子对撞机进行的实验，以及深埋在中国四川锦屏地下的暗物质探测器实验等也还都在进行当中，他们都可能在不远的未来有所新发现。
“世界范围内的暗物质探测实验正在蓬勃发展，未来10年、20年将是暗物质探测的黄金时代，肯定也会有所突破。”秦波说。
[人民网-人民日报]
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专家：暗物质的发现比上帝粒子更重要
加拿大SNO地下实验室 （地下2000米，2008年建成）
意大利GRAN SASSO 地下实验室 （地下1700米，1987年建）
中国锦屏极深地下暗物质实验室实验厅（地下2400米，2010年投入使用）
全球主要地下实验室分布图。 制图 郁斐
早报记者 石剑峰
什么是暗物质？它的发现将有什么重要意义？与“上帝粒子”的发现相比，暗物质发现更重要吗？带着这些问题，早报记者采访了中科院理论物理研究所研究员李淼。
东方早报：暗物质与暗能量是一回事情吗？
李淼：暗物质有点像物质粒子，只是不发光而已；暗能量根本就不是粒子。暗能量这个概念相对年轻些，形成只有10年。暗物质这个概念就很老了，可以追溯到1933年，那一年天文学家Zwicky发现一个星系团中的星系速度比预期的要大，根据牛顿万有引力定律，意味着星系之间还有很多我们没有看到的物质，当时叫丢失了的物质。
东方早报：黑洞是暗物质吗？
李淼：黑洞与死掉的恒星都是存在的，但是天文学家通过观测，通过微引力透镜的手段观测到，所有死掉的恒星和黑洞，它们的质量加起来，不足以解释暗物质。因为暗物质占宇宙质量的25%（外电报道称是23%），恒星和黑洞质量加起来远远不到这个量。
东方早报：人会被一堵墙挡住，太空飞船在太空飞行时会被暗物质挡住吗？
李淼：不会。暗物质为什么会有那么大的质量呢？暗物质跟普通物质的相互作用很弱，但这并不代表没有质量。暗物质与其他物质伴生，有物质的地方就有暗物质，但分布得更广。比如说，在有恒星、星系的地方一定有暗物质，但暗物质要比这些星系占的空间大许多，所以暗物质的质量比星系质量大。
东方早报：报道中称，WIMP只是暗物质的一个候选体，什么叫候选体？
李淼：暗物质有很多种可能性，只要有质量不发光就行，最早的可能性是死掉的恒星或黑洞，但这种可能性被天文学研究所排除，粒子的可能性更大，如果是粒子的话，就有几种可能性，一种极弱相互作用，也可能是一种特别的中微子。如果极弱相互作用，正负电子对会反常，其他中微子不会有这样的效果。
东方早报：如果暗物质真的被发现，有应用价值吗？
李淼：应用价值暂时谈不上，但起码解决了一个多年的谜题。通过万有引力很难解释一些物理现象，太阳系或者银河系为何能维持现在的状态，光靠可见物质的引力是无法解释的，但在暗物质的假设模型里就可以解释。
东方早报：暗物质如果被发现，会动摇量子理论和相对论吗？
李淼：它不会动摇20世纪的量子理论和相对论，还是在这个框架内解释。
东方早报：去年科学家发现了“上帝粒子”，如果这次的发现最后被证实是暗物质，两个发现哪个更重要？
李淼：这个发现要比“上帝粒子”发现更重要。如果没有上帝粒子，我们的粒子标准模型就是不完备的。但是如果没有暗物质，粒子标准模型也是完备的，只是天文学家和宇宙学家会困惑。如果丁肇中团队的发现被确认，这肯定是这几十年来的重要科学发现。
延伸阅读
中国暗物质实验室全球最深，条件最好
地下实验室是暗物质实验一个必不可少的条件。目前，全球的地下实验室有十几个，为了避免专门挖掘地下实验室的高成本，它们都是利用已有的土建设施，基本分为两类，一类是利用废弃的矿井，比如美国700米深的SOUDAN地下实验室，在建的DUSEL地下实验室有几百米到2400米深的多个实验厅。另一种是利用隧道，在隧道里横向挖出实验大厅。最著名的有意大利的GRAN SASSO 地下实验室，入口建在一条10公里长高速路隧道的中部，上方有1700米岩石覆盖，实验室内有3个各100米长、20米宽、20米高的实验大厅和众多较小的实验厅和通道，内容积目前世界第一。
2010年12月，中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅，尽管目前大厅总容积不是很大，但它是目前世界上条件最好的地下实验室：首先，它是当前世界上最深的地下实验室，上方有2.5公里岩层覆盖，宇宙射线通量最少，每平方米每周只有一个μ子通过，比意大利GRAN SASSO实验室小300倍。其次，地下实验室所在处不是花岗岩，而是大理岩，其自然放射性相当低，实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低，和意大利GRAN SASSO的岩石相比，放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数，包括宇宙射线通量、光子和中子的通量，都在测量之中。
DAMA实验
DAMA实验位于意大利的GRAN SASSO地下实验室，选取碘化钠晶体做探测器，使用了非常灵敏的光电管来探测碰撞后产生的光信号，光电管可以探测到一个光子（肉眼在白天每秒会看到1016个光子）。中科院高能所有几位科学家是该实验组成员。DAMA经过了十几年的观测，宣布发现了WIMP的年调制信号，所谓年调制， 是指WIMP相对于太阳的速度是一定的，而地球在围绕太阳公转，因此，WIMP相对于地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信号的事例率也会有周期一年的起伏。不过这一结果没有得到其他实验组的证实。
CRESST实验
CRESST实验同样位于GRAN SASSO，该实验使用钨酸钙（CaWO4）晶体作为探测器。它们将晶体冷却到零下273摄氏度，只比绝对零度高0.05摄氏度。WIMP碰撞的热信号会造成晶体温度升高0.01摄氏度，再通过高灵敏度的“温度计”来测量温度变化。CRESST一期结果已经发表，没有找到暗物质，二期结果正在分析之中。
XENON100实验
位于GRAN SASSO地下实验室的XENON100实验是目前灵敏度最高的实验之一，上海交通大学是参加实验单位之一。XENON100使用了165公斤的液氙作为探测器，能够探测光信号和电信号，通过两者之间的比例关系，可以更有效地区分WIMP信号和外界普通粒子引起的信号，从而大大提高了实验灵敏度。在2010年初发表了一个月的观测结果，并没有看到暗物质粒子。目前该实验已经采集了一年的数据，正在紧张地进行数据分析。是否会发现暗物质粒子，大家都拭目以待。
CDMS实验
CDMS实验位于美国SOUDAN地下实验室，它使用硅晶体和锗晶体作为探测器。CDMS经过一年多的观测，在2009年底发表了测量结果，宣布找到了两例疑似WIMP信号事例。尽管有一定的可能性是噪声事例，还是引起了科学界的极大关注。
CoGeNT实验
CoGeNT实验使用高纯锗探测器来观测WIMP碰撞产生的电信号，也发现了疑似信号事例，还有待于进一步证实。
（该内容引自上海交通大学粒子物理宇宙学研究所研究员刘湘《寻找暗物质，锦屏来了》一文）
[东方早报]