丁肇中团队称或已发现暗物质

2月18日，在美国波士顿结束的美国科学促进会年会上，美国麻省理工物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布，他们的阿尔法磁谱仪发现了弱相互作用大质量粒子存在的证据

■ 将于未来几周发表论文

■ 如被确认则有望解答宇宙组成之谜

2月18日，在美国波士顿结束的美国科学促进会（AAAS）年会上，美国麻省理工物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布，他们的阿尔法磁谱仪（AMS）发现了弱相互作用大质量粒子（WIMP）存在的证据，6个科研小组达成了一致意见，都赞同是探测到WIMP，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。1976年，因发现“丁粒子”，丁肇中被授予诺贝尔物理学奖。

中科院理论物理研究所研究员李淼昨天对早报记者表示，根据现在丁肇中透露的消息，只能说探测到暗物质湮灭的信号的可能性比较大，但他没有说这些信号来自暗物质还是脉冲星，“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。”

2003年，美国国家航空航天局宣布，根据威尔金森微波各向异性探测器的观测数据，发现了暗物质存在的直接证据，并估算出宇宙由73%的暗能量，23%的暗物质和4%我们已知的物质组成，可以说4%以外的部分大都属于未知。如果此次暗物质的发现能够得到确认，那么人类对于宇宙的认知无疑向前迈进了一大步。

史上最昂贵的实验

2011年5月，美国奋进号航天飞机执行了最后一次太空任务，它将价值20亿美元的阿尔法磁谱仪（AMS）送往国际空间站，用于探测宇宙射线及高能粒子。这也被称为史上最昂贵的一次实验。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。丁肇中称，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。

阿尔法磁谱仪项目便是由丁肇中在1990年代中期提议开始的。“我们等待了18年来写这篇论文，如今到了最后确认阶段，”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6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。”

需等待论文来做最后确认

理论上，弱相互作用大质量粒子（即WIMP）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，可能找到暗物质。如果实验检测到在某能量处存在大量正电子，这可能暗示着检测到了暗物质，因为电子在宇宙中无处不在，而已知的天体物理学过程很少会产生正电子。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。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？”

据李淼介绍，WIMP这个名词最初也是由卡弗里宇宙学研究所芝加哥大学命名的。李淼表示，根据丁肇中发布的消息，目前还无法判断，这些发现到底是来自脉冲星还是暗物质湮灭的信号。如果发现的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类的天体，而不是暗物质。如果是来自各个方向的，那就是来自暗物质。李淼认为，根据现在丁肇中透露的消息，只能说探测到暗物质湮灭的信号的可能性比较大，但这些信号来自暗物质还是脉冲星，他没有说。

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。据特纳教授介绍，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。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。”

什么是暗物质？

20世纪30年代，瑞士天文学家弗里兹·茨威基（Fritz Zwicky）研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团，他先测量了星系团中各个星系的亮度，通过已知的亮度和质量的关系，得出了可以看见的星系团质量。接下来，他又测量了各个星系的公转速度以及它们到星系团中心的距离，通过万有引力定律计算出了星系团的总质量。他发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的，只能通过引力“感觉”到它们的存在。

在宇宙的天体之间，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”，暗物质无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。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。暗物质的存在可以完善大爆炸理论，对结构的形成也非常关键。

弗里兹·兹威基极富想像力地提出了宇宙中存在“暗物质”的假设，尽管当时不被人接受，但越来越多的证据都指向它真的存在。比如，通过观测星系中恒星的公转速度，也确认了星系中有大量暗物质存在。还有引力透镜、星系碰撞和宇宙微波背景辐射等等的观测都间接证实了暗物质的存在。能说明问题的是“子弹星系团”的观测，这是两个相撞后的星系团。2006年的一个研究表明，在“子弹星系团”中的星系团碰撞后，可见物质组成的气体由于相互之间的作用还纠缠在一起，而暗物质相对穿行而过，暗物质之所以会穿行而过就是因为它们暗，不发生什么相互作用。和暗物质一起穿行而过的是恒星。这个结果支持暗物质假说，基本否定了与暗物质假说竞争的其他理论，如一些新的引力理论。

从这个假设提出开始，几十年过去，科学家在发现暗物质方面并未取得实质性的进展。但对于天文学家来说，他们需要暗物质。在天文学家看来，暗物质的作用就像宇宙胶水。因为物质之间尤其是天体之间的引力无法保持恒星和星系之间聚集，为了使星系之间不致分裂，天文学家需要暗物质提供的引力把它们聚集起来。如果最后发现暗物质不存在，这意味着关于引力的理解在大尺度上是错误的。这对于很多天文学家来说是不可想象的。

科幻作家刘慈欣昨天对早报记者表示，虽然暗物质是一个重要的科学论题，但科幻作家对这一题材涉及不多，“在我印象中，跟暗物质有关的重要科幻作品只有加拿大科幻作家罗伯特·索耶的《金羊毛》。”

为什么是WIMP？

在丁肇中研究团队的报告中，多次提到了WIMP这个名词，如果能探测到WIMP存在痕迹，就能宣布发现WIMP，WIMP被认为是一种暗物质的候选体。那么，什么是WIMP？

上海交通大学粒子物理宇宙学研究所刘湘在一篇文章中曾介绍，关于暗物质究竟是什么，研究者曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，即WIMP）。这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用，但是参与弱相互作用，同时质量比质子和中子大。

刘湘认为，“WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有3个原因：首先，WIMP具有‘冷暗物质’的各种性质，而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP 特点的粒子。例如，流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子，这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。最后，WIMP具有弱相互作用截面，而按照统计物理的粒子退耦理论计算，WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值在同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型里。”

　　电脑合成的数百万光年以外的太空中暗物质图片。

　　上海交通大学粒子物理宇宙学研究所刘湘曾在一篇文章中介绍暗物质在宇宙中的分布：中心螺旋状是我们所在的银河系，红蓝绿代表银河系中暗物质晕。

暗物质的存在是如何被认知的？

·万有引力定律无法解释宇航员在外太空的所见。1970年，一位名叫Vera Rubin的宇航员在测量外行星的速度时发现，星系边缘的行星速度与仅在万有引力作用下所得的数据不一致。

·如果只在万有引力的作用下，各个星系应该是离散的，因此肯定有某种力量将它们聚拢在一起。

·在无穷远处，宇宙的膨胀在减弱。

因此……

·天文学家假定有“暗物质”的存在，它们不能被看见，但的确在对星系的规模产生影响。

·与万有引力相反，宇宙中还有“暗能量”对宇宙的膨胀产生作用。

2003年，NASA宣布测算到

宇宙=73%的暗能量+23%的暗物质+4%已为我们所知的物质

如果此次暗物质的发现能够得到确认，那么人类对于宇宙的认知无疑向前迈进了一大步。

录入编辑：王卉