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寻找宇宙魅影 中国科学家渴望做出大贡献

2017-11-09  来源:新华网  作者:喻菲

“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”中国科学院院士、粒子物理学家陈和生用2000多年前屈原的这句名言来形容科学家对宇宙本质孜孜不倦的探索,并鼓励中国科学家和青年学子为暗物质的寻找和研究做出重大贡献。

在近日举行的国际“暗物质日”北京站活动上,陈和生院士指出,暗物质和暗能量是本世纪物理学面临的严峻挑战,也意味物理学面临重大突破的历史机遇,需要理论和实验物理学家、天文学家密切合作,共同努力破解世纪谜题。

陈和生介绍,有越来越多的天文观测表明,在星系到宇宙尺度上存在一些与牛顿和爱因斯坦引力理论不一致的现象。例如:根据牛顿万有引力公式推算出太阳在银河系中的转动速度应为170公里/秒,但实际观测速度是220至250公里/秒。如果牛顿和爱因斯坦的引力理论是正确的话,必然得到这样的结论:银河系周围有大量不可见却能产生引力的神秘物质形成的球状晕。

他说,数十年来,各种各样的天文观测结果都支持暗物质的存在。宇宙微波背景辐射观测实验——威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的观测结果给出了宇宙组份的比例:普通物质占4.9%,暗物质占26.8%,暗能量占68.3%。

寻找宇宙魅影

粒子物理的“标准模型”正确地解释了几乎所有的实验现象,获得了18次诺贝尔物理学奖。“然而暗物质和暗能量的存在使粒子物理学面临最严峻的挑战,标准模型只能解释宇宙中约5%的物质,却对宇宙的95%都一无所知。”陈和生说,“这就如同我们依然在瞎子摸象,或是井底之蛙。”

在中国科技馆举行的“国际暗物质日”活动上陈和生院士在做科普报道。 新华社记者喻菲摄

暗物质和暗能量被科学家比喻为当前物理学天空的“两朵乌云”。目前科学家只知道暗物质没有电磁和强相互作用,有引力相互作用,应当有弱相互作用,应当是在宇宙大爆炸中产生的,但不知道暗物质到底是什么,最流行的理论猜想是一种具有弱相互作用的重粒子(WIMPs)。

陈和生介绍,近30年,寻找暗物质粒子一直是国际粒子物理学界的热点,科学家主要通过三种类型的实验来寻找:第一种是在超高能对撞机,例如欧洲大型强子对撞机(LHC)上产生暗物质候选粒子;第二种是在太空探测暗物质粒子湮灭产生的粒子(如高能光子、正电子、反质子等)的能谱,这类实验包括国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)和中国的暗物质粒子探测卫星“悟空”;第三种是直接探测,即测量暗物质粒子与探测器的原子核碰撞产生的信号,由于这样的信号非常微弱,为了屏蔽宇宙射线的干扰,这类实验都在很深的地下开展。

陈和生指出,即便这三种实验中的任何一种发现了暗物质候选粒子,要确认它就是暗物质也是极为艰巨的任务,三种实验或至少两种,必须相互验证,才能确认这种粒子的存在。

他猜想暗物质研究有可能取得突破的方式包括:出现“21世纪的爱因斯坦”指点迷津,提出革命性的物理理论;上天、入地、加速器这三类实验确认超越标准模型的暗物质粒子;更多的天文观测和宇宙学研究给出不同结论。

关键词:暗物质 宇宙微波背景辐射 科学家 暗能量 威尔金森微波各向异性探测器 引力相互作用 直接探测 魅影 反质子 宇宙大爆炸