暗物质的研究外文翻译资料

暗物质的研究

原文作者 : David B.Cline

摘要：如果暗物质能被看到，那银河系将会是一个与众不同的地方。大多数星体所在的螺旋盘中笼罩着大量的暗物质粒子。天文学家估计充满暗物质粒子的螺旋盘的质量和直径大概都是一般螺旋盘的10倍。

关键词：暗物质； 螺旋盘； 粒子；

宇宙并不像它所呈现的那般。星体在宇宙的总质量中所占不到1%；所有由普通物质组成的松散气体和其他形态所占不到5%。这种可见物质的运动状态揭示了它仅仅是由未知物质所组成的看不见的海里的一些废料。而我们对于那海却是一点都不了解。因此，我们采用“暗物质”和“暗能量”这两个专业名词来描述未知物质，主要是作为我们对这些不了解物质的表述。

70年来，天文学家们一直不间断地搜集证明暗物质存在的间接证据，现在，基本上每个人都接受暗物质存在的这个事实。但是，这些收集的间接证据并不十分令人满意。它们既不能断然地排除暗物质的一些替代品；也不能推测一些假定材料的性质。事实上，所有我们了解的是暗物质聚集起来，为星系和更大结构体，比如星系团，提供重力。几乎可以肯定的是，它是由一种至今未被发现的基本粒子组成的。尽管暗能量与暗物质有着让人困惑地相似的名称，但是，暗能量却是一种仅在1998年被拍摄到的独立的物质。暗能量在空间中均匀地传播，施加负压，引起宇宙的加速膨胀。

最终，这些黑暗的成分的细节将会被天文学和粒子物理学这两门学科完善。在过去的八年里，这两门学科的科学家汇集了他们的研究资源，相互探讨，就比如关于在宇宙中的暗物质和暗能量的来源和探索的研讨会。而下一次的研讨会将会于2004年2月在加利福尼亚州的玛丽安德尔湾举行。现在，科学家们的目标是使用相同的技术找出方法来探索和研究暗物质，这种技术曾经成功的分析诸如电子和中微子的粒子；而不是仅仅通过观察遥远的星体来解释它的本质。同时，他们也将会探寻在地球上的暗物质。

暗物质粒子的探寻是物理学史上尝试过的最困难的实验之一。（探究暗能量粒子的实验甚至更困难，目前，我们已经把此实验丢弃一边。）在1994年2月的第一次研讨会中，科学家们对于在地球上用粒子探测仪探测暗物质的实验缺乏信心。甚至是最好的仪器的灵敏度也是粒子直径的1000倍，灵敏度太低以至于不能检测黑暗粒子的假想类型。但是自从那时开始，探测仪的灵敏度有了1000倍的提升，仪器制造商预计很快就又会发现另一个1000的因素。在仪器方法上超过15年的探索和发展终将会开花结果。我们可能会迅速了解宇宙的真实样貌。不是暗物质将被证明是确实存在的，就是构成现代物理学的所有理论将被自己的利剑刺伤。

那什么种类的粒子能构成暗物质哪？天文观测和理论提供了一些常规的线索。它不可能是质子、中子或者是任何曾经组成质子或者中子的粒子，如大质量的恒星可能会变成黑洞。根据在大爆炸时期的粒子合成的计算公式，在组成暗物质的粒子的数量上，这些粒子实在是太少了。这些计算公式已经被通过宇宙中的原始的氢、氦、锂的测量给证明了。当然超过暗物质的一小部分的也不可能是中微子，一种轻量级类型的粒子能够在空间中注入活力、独立于其他原子。中微子曾经是组成暗物质的一种可能粒子，中微子的作用至今仍然是一个讨论的问题。但是，实验证明，它们或许都太轻了。而且，它们太“热”——也就是说，在早期宇宙中，它们的移动速度可相比较于声速。热粒子的速度太快了，以至于不能观测到宇宙结构。最合适的天文观测的包括到“冷”暗物质，这是指一些未被发现的粒子在它形成的时候移动缓慢的一个术语。尽管冷暗物质在在解释宇宙结构中存在它自身的问题，但是大多数宇宙学家认为，这些问题可类比与未成年人所面临的困难。基础粒子的最新标准模型没有包含能够为冷物质解释的例子，但是标准模型的外延——发展的原因是独立于天文学的需要——提供了许多可能的候选模型。

迄今为止，这种类型被研究的最大的范围是超对称，因此，我会主要来阐述这一理论。超对称之所以对暗物质来说是一个有说服力的解释，是因为它假定了一个全新的系列颗粒——一种“超对称粒子”。这些新的粒子都比我们所了解的粒子来的重。其中一些还是冷暗物质的天然备选者。得到最多关注的是中性子，它是光子、Z玻色子和可能其他类型的粒子的超对称的汞合金。中性子的名称有点古怪，听起来很像中微子，但是这两种粒子还是相通的共同特性，虽然它们在别的性能上截然不同。

尽管根据正常的标准来说，中性子的质量算重的，但一般普遍认为它是最轻的超对称粒子。如果是这样，那它一定很稳定：如果一个超粒子不稳定，它必定会衰变乘两个较轻的超粒子。正如其名称所暗示的，性子具有零电荷，因此它不会受到电磁力的吸引。性子的假设的质量，良好的稳定性以及它的中立性满足了所有冷暗物质的要求。

大爆炸理论提供了宇宙的原始热等离子体中创建的中性子数量的估计值。等离子是所有粒子种类的一个混乱的集合。没有任何一个粒子能够存活长久。它会很快与另一粒子碰撞，但是在产生新的粒子的过程中会消灭这两颗；然后产生的新的粒子又很快与另外新的粒子碰撞，周而复始的毁灭和创造。但是随着宇宙的冷却和变薄，粒子之间的碰撞变得没有那么地强烈，碰撞过程也会陷入停顿。

中性子其实是一种碰撞倾向极低的粒子，因此，它在早期是处于睡眠状态的。当时，整个宇宙的密度仍然很高，所以，庞大数量的中性子才得以产生。事实上，基于预想中的中性子的质量和其较低的碰撞倾向，中性子的总质量与在宇宙中暗物质的质量几乎完全一致。这一吻合对于中性子实际上就是暗物质的说法是更有力的证据。

为了探测暗物质，科学家们需要了解中性子是如何与普通物质相互作用的。天文学家假定它仅仅是借助于重力，在所有已知的力的性质中是最弱的。如果真是这样的话，物理学家们也不打算去检测。但是，天文学家的假设很让人信服。

超对称理论预测，中性子将会通过比重力更强的力来相会作用：弱核力。这种力可以排斥中微子。大多数中性子将会逃脱力的作用，但是还是会有一些中性子会碰撞到原子核：这些碰撞的粒子将会将自身的能量转移到原子核中。

相互作用的不可能性和微弱性构成了绝对数量的粒子的偏移量。毕竟，暗物质是被认为控制星系的背后主宰者。暗物质不可能通过发散辐射来损失能量，因此，它永远都无法会聚成星体，比如恒星和行星。相反，它会像气体一样弥漫在整个星际空间中。太阳系在轨道上正以每秒220千米的速度绕着星系运动。研究员估计，10亿个暗物质的流动速度将会是每秒一平方米。

Leszek Roszkowski 和他的团队近日在英国的兰卡斯特大学对中性子与其他物质的相互作用的比率进行了完整的计算。根据理论的细节部分，图中的数据变化为0.0001至0.1每天每公斤。当前实验能够检测到在此范围内的高端的事件发生率。

现在最主要的困难不再是检测仪器的灵敏度，而是检测仪器的不纯度。在地球上的所拥有材料，包括构成检测仪器的金属，都含有微量的放射性物质，如铀和钍。这种材料的衰变会产生粒子。陆地的放射性一般会通过106倍的因素来推出假定的中性子信号。如果探测器位于地面，宇宙射线将会使环境恶化。为了确认暗物质粒子，研究人员必需同时减少一百万倍不必要的干扰因素。

因此，物理学家面临两方面的挑战：一是能够探测到暗物质与其他物质的固有的弱相互作用；二是能够筛选出混杂的噪音。首先是第一个挑战，通过物质的一些性质来记录遭受中性子撞击的核的反冲情况。所有可能的方法中最简单的就是寻找能够引起反冲核进入周围物质并转化动能的热量，而这个热量能够小幅度的提高材料的温度。为了检测这种热量，材料必须放在非常低的温度下。这就是低温探测器的原理。

比如那些使用两个主要搜索程序的低温探测器旨在衡量在材料中的个别声子或者是热量子。这些低温探测器在25毫开的温度下进行操作，并使用热敏电阻来记录仪器部分的上升温度。因为每个检测器的质量为几百克，研究人员可以堆叠大量的探测器，使得总质量达到几公斤以上，从而提高信号。坐落于明尼苏达州内的苏当煤矿中的CDMS的最新仪器将于今年晚些时候开始采集数据。

第二种方法是观测反冲核的另一个效果：电离。原子核与围绕原子运动的一些电子碰击，从而导致准分子的激发。这些粒子最终夺回电子并且返回常态。在一些材料中，大多数惰性气体液化，并在野化过程中散发光，这种光就称为闪烁光。这也就是准分子激光器为什么能工作的原因。对于液态氙来说，它的光是非常的强烈的，并且能够持续10纳秒左右。光电倍增管来放大信号来检测整体水准。

在20世纪90年代的初期，ZEPLIN项目研究出了两相液态氙的探测器。这些仪器通过在螺旋电场中引入一层气体来放大光；电场通过反冲核来使得电子得到加速。在此基础上，最终很有可能会创造出一个10吨中的液态氙探测器。尽管中性子之间的相互作用性是非常低的，但是这种探测器对中性子还是十分敏感的。

氙不一定是要液态的。一些探测器也可以利用它的气态形式。尽管氙的气态相比较于液态来说具有较低的密度，但是气态氙可以更容易地解释反冲核离开的轨迹。轨迹可以显示出即将进入的暗物质的方向以及可以对一个星系中性子进行进一步的检测。这种类型的探测器正处于发展阶段。

我们使用氙是因为它没有天然的放射性同位素（因此可以降低噪音）以及很容易在大气中获得（通过核炸弹实验来去除放射性氪得到纯化）。但是氙不是能放出火花的唯一材料。DAMA使用碘化。有着100公斤的质量，DAMA是世界上最大的探测器。

在克服天然放射性以及宇宙射线发出的噪音过程中，我们一般采取三个步骤。首先，研究人员通过放置地下深处的探测器来筛选出宇宙射线。其次，研究人员要净化探测器材料来降低放射性污染。第三，研究人员要研制特殊的仪器来寻找区分暗物质和其他粒子的蛛丝马迹。

尽管我们已经采用了前两个步骤，但是这还是不够的。因此，新的暗物质探测仪都会采用第三步。防御的第一界限是寻找洗好的年际变化。暗物质的焊剂应在北半球的夏季高于北半球的冬季。这种信号变化可以高达百分之几。

最先进的探测器增加了辅助器，与初级的相比内置使用不同的技术。两种检测器将通过稍微不同的方式来检测不同类型的粒子。例如，从中性子粒子的碰撞中，背景粒子趋向于产生反冲。通过列和两个探测器，这种差异可以被捕获。

在20世纪80年代的晚期，最早开始使用一种或者多种技术来寻找暗物质信号。但是这些技术都没什么用处，因为研究人员直到最近才知道必要的灵敏度和噪音容限。特立独行的是DAMA。四年前，这个项目作为观察年际变化被报道，并且充满着怀疑和兴趣。但是问题是DAMA不能通过使用多个检测器来区分信号和噪声。其他三个使用多个探测器的实验也让人对DAMA感到质疑。雪绒花，ZEPLIN 和CDMS I 通过在DAMA探测到的参数范围内没有发现到任何东西。然而CDMS I 团队宣称对于这个空虚的结构有98%的信心。如果独立的项目再继续空手而归，DAMA 的研究人员将不得不归因于在放射过程中探测器的信号或者是其他噪音。

新一代探测器应该能够正确的探测出中性子放大或者缩小。如果探测器不能发现任何东西，那么超对称一定不是暗物质问题自然选择的解决方案。理论学家们将不得不转向其他的方法。但是，如果探测器能够标记和验证信号，它将可能会成为21世纪最伟大的成就之一。宇宙的25%发现显然具有最壮观的意义。其他具有价值的信息也会随之而来。如果探测器能发现暗物质粒子，粒子加速器例如位于日内瓦附近分欧洲与暗自和研究中心的大型强子对撞机可能会创建暗物质粒子，并进行对照实验。超对称的确认将意味着一大群新粒子等待着我们去发现，并且同时也支持了弦理论。在现代天体物理学的最大奥秘可能也会很快得到解决。

外文文献出处：Scientific American

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