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百年暗物质探索,人类不能放弃的科学领域

时间:2018-10-08 来源: 点击次数:20

以“探索暗物质”为主题的YOSIA Webinar 第六期青创联盟线上研讨会近日在线直播平台开讲。

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加州大学河滨分校物理与天文系助理教授郁海波为大家做了精彩的暗物质报告分享。

报告梳理分享了人类近百年来对暗物质的探索,介绍了在大尺度上暗物质对宇宙演化及天体结构形成的重要作用;在小尺度上暗物质粒子的性质及现有基本粒子标准模型无法解释暗物质,需要引入新的候选者;目前暗物质搜寻的直接探测,对撞机探测及非直接探测实验的进展;暗物质间存在自相互作用的假设在准确解释星系旋转曲线多样性上取得的成功。
随后郁海波老师与参会嘉宾进行了以下几个议题的讨论:

·    暗物质研究的未来

·    跨学科研究的重要性   

·    基础研究本身及其在中国的意义

 

下面为郁老师分享的精彩内容:

 


▍暗物质问题的发展历程

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暗物质是介于粒子物理,天文学和宇宙学之间的一个交叉学科。人类对暗物质现象的观测最初来自于对恒星、星系及更大的星系团运功规律的天文学测量。二十世纪30年代,瑞士籍美国科学家Fritz Zwicky为了解释后发座星系团中星系的高运动速度,最早提出了存在不可见的暗物质提供了额外的引力作用的想法。


二十世纪70年代,美国天文学家Vera Rubin对星系旋转曲线进行了研究,发现在远离星系中心的区域恒星和气体粒子依然维持平直的旋转曲线,和可见物质分布的预言产生矛盾。上世纪后期,宇宙学对微波背景辐射的测量,显示出宇宙演化初期由暗物质的不均匀分布而造成的温度涨落分布,提供了暗物质存在的另一个证据。根据目前研究,暗物质组成了宇宙27%的质能,远大于可见物质所占的5%。如果只考虑质量的话,它的比重高达85%,暗物质在宇宙演化中起到关键作用。


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▍暗物质在宇宙宏观尺度的研究进展

 

由于暗物质占据了近85%的物质质量,所有可见物质在星系结构中只占据很小的比例。可见物质主要聚集在星系中心,它的整体存在一个由暗物质组成的暗物质晕结构里。以在我们存在的银河系为例,可以推测出太阳系周围暗物质的分布密度非常稀疏,但其运动速度非常快,接近200公里每秒。


通过一段宇宙大尺度结构形成的视频(下方视频),郁海波老师展示了暗物质在宇宙137亿年演化历史中的重要作用。当暗物质由较为均匀的分布逐渐通过引力吸引呈现出最初的结构,这些物质聚集的区域会逐渐吸引更多周围的物质,从而形成从侏儒星系依次到星系团的逐级结构层次。


除此之外,暗物质也能够提供引力捕获恒星演化过程中产生的微量元素,与行星上生命的存在息息相关。



宇宙结构形成的视频


▍微观尺度的暗物质粒子研究

 

当代粒子物理学利用标准模型中的基本粒子及电磁相互作用,强相互作用和弱相互作用成功描述了大多数微观世界的现象规律。在标准模型建立过程中,华裔物理学家李政道先生和杨振宁先生对弱相互作用宇称不守恒的发现作出了杰出的贡献。


宇宙学观测要求暗物质粒子满足三个性质:不参加电磁相互作用;寿命在宇宙年龄稳定;足够冷以能形成结构。当粒子物理学家试图把暗物质纳入基本粒子框架时发现,所有标准模型基本粒子中没有能够同时满足这三个条件的候选者。


郁老师指出,代表人类对宏观世界及微观世界理解最高成就的宇宙学标准模型和基本粒子标准模型,在暗物质问题上尚未达成统一结论。对此最直接的解决方案是加入一个暗物质候选者,这个参与引力及弱相互作用并带有质量的新粒子被称为弱相互作用大质量粒子。

 

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华裔物理学家李政道先生和杨振宁先生对弱相互作用宇称不守恒的发现作出了杰出的贡献


▍暗物质粒子的实验探测进展

 

由于弱相互作用大质量粒子模型假设暗物质粒子与可见物质发生弱相互作用,这给暗物质探测提供了可能性。目前探测手段包括直接探测,对撞机探测和非直接探测。直接探测实验的目标是捕获地球周围高速运动的暗物质粒子与探测器靶材料碰撞所产生的信号。由于信号事例稀少,需将探测器放置于地下深处的实验室环境中以减少可能存在的背景。

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全世界都在布局暗物质探索


目前世界上数个直接探测实验间形成激烈竞争,中国的熊猫暗物质实验利用1.2吨液氙探测器,将其对暗物质-核子碰撞的探测灵敏度提升到了世界顶尖水平。对撞机探测通过将质子和电子等基本粒子进行碰撞,产生暗物质粒子。

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由于暗物质粒子本身几乎不与探测器物质发生反应,实验需要间接测量散射过程中辐射出的光子,胶子等可见物质,反推出暗物质在对撞机上被产生的证据。非直接探测实验则寻找暗物质在空间中湮灭过程所产生的电子,质子和中微子等可见物质信号。例如设立在南极的冰立方实验利用冰层作为探测器靶寻找暗物质湮灭产生的高能中微子。


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丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪实验将探测器置于国际空间站上寻找暗物质



非直接探测实验也可以在空间中进行,华裔科学家丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪实验将探测器置于国际空间站上寻找暗物质湮灭产生的电子与光子。中国的悟空暗物质探测卫星也加入了这个领域,并已测量到一些有意思的电子能谱结果。郁老师结合自己在暗物质寻找领域的研究经验进行了总结,目前在实验中看到了一些反常的现象,但还没有找到暗物质粒子的明确信号。


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中国的暗物质探索卫星悟空号



▍郁海波对暗物质自相互作用的最新研究成果

 

类比可见物质,假设暗物质可能存在除引力外的相互作用是非常自然的推广。但由于冷暗物质模型已能够解释宇宙大尺度结构,暗物质自相互作用问题一直没有得到足够的重视,也尚且没有明确的答案。


从90年代起,学术界在暗物质对星系旋转曲线的作用这个问题上产生了很多争论。冷暗物质只能预言比较固定的旋转曲线模式,和已观测到的旋转曲线多样性结果无法吻合。


郁海波老师的研究组在最近的工作中,通过对大概135个星系进行分析发现如果暗物质存在自相互作用,就能够使所有旋转曲线对观测数据符合得非常好。


在结尾,郁老师总结暗物质是现在最重要的科学问题之一;过去暗物质粒子研究发现其与可见物质的相互作用应该非常弱;他本人在过去十年研究发现暗物质间很可能存在较强的自相互作用,对星系旋转曲线多样性的解释是对自相互作用暗物质很强的暗示。


郁老师演讲视频部分一:



郁老师演讲视频部分二:



 


讨论环节:

 

讨论环节由香港大学物理系副教授,空间科学实验室执行主任苏萌主持,参与讨论嘉宾有郁海波上海交通大学物理与天文学院教授刘江来、美国阿贡国家实验室物理学家周华、中科院计算所研究员山世光。讨论环节的内容如下:

 

刘江来:海波非常感谢你能给这个报告,我觉得是深入浅出非常好。我想就未来开展的实验研究做一点评论。从天文学上讲,暗物质研究到今天将近有100年;但实验研究是一个比较年轻的学科,到今天还没有40年时间。在世界上包括我们国内的实验室,都在用不同的方法开展寻找,但是还没有大家都觉得可信的实验证据。


所以我们想进一步提高实验探测的灵敏度,在极深地下开展的熊猫X项目还有下一阶段的任务。在过去的一两年中,我们正在紧锣密鼓研制一个比目前探测器体量大6倍,本底噪声水平低将近10倍的熊猫X四吨级探测实验,期望在今年年底进行安装。我们希望新的探测器能将灵敏度再提高一个数量级,从而能够看到暗物质和普通物质碰撞的信号,这也是大家更加相信暗物质作为粒子的形式存在的证据。

 

郁海波:谢谢,我觉得评论非常好。虽然目前为止在直接探测,间接探测或者对撞机探测中还没有探测到暗物质粒子,我的观点是应该继续做下去。这其中有两个原因,第一是虽然当初设计的方案都是为寻找WIMP,但实验的结果都可以用于分析解释不同的理论,而不单局限于某一种暗物质模型。比如说WIMP跟可见物质的相互作用,基础研究需要不断突破人类所知暗物质跟可见物质相互作用强度的极限,没有突破到极限永远不知道最后到底是什么样。


另一个重要意义就像刘教授说的,在诺贝尔奖的历史上还没有人因为暗物质工作获奖。包括当初呼声很高的Rubin也未能获奖。这是因为暗物质来自于天文观测,人类还没有在实验室中把它找到。虽然这并不意味未来我们一定能在实验室找到暗物质粒子,但这是一个遗憾。所以期待熊猫计划能顺利尽快实施。

 

苏萌:你觉得暗物质的粒子属性是不是已经确定了,暗物质有没有可能以其他属性存在?另外一个问题是修正引力理论是否跟各种观测不能自洽,我们是否已经可以排除修正引力作为解释宇宙小尺度问题的一种理论机制?

 

郁海波:目前暗物质作为基本粒子不是100%的结论。暗物质有可能是黑洞,但是现在这个可能性是比较低的;暗物质也可能是一个复合物体,比如紧致天体,其实也有来自于天文上微引力透镜的限制。如果把暗物质问题跟基本粒子物理结合起来的话,最容易理解或者最直接的假设是把暗物质作为一个粒子。


关于修正引力的问题,有一个有名的理论叫做MOND,能对旋转曲线作出一个解释。但暗物质也存在于星系之外的更大尺度,我想暗物质的假设比所有其他理论更能解释所有这些天文观测。我们最近的暗物质论文中讨论了MOND理论从总体上能解释星系旋转曲线的原因,这本质上来自于宇宙学结构形成所导致的一个加速度参数。但是MOND理论不能解释旋转曲线的多样性,这些问题在我们的文章里有很深刻的探讨。

   

苏萌:美国现在在从事其他方向的暗物质探索工作,如轴子和暗光子。国内似乎还没有这方面的努力?

 

郁海波:这是美国在过去10年的一个非常大的变化,特别是年轻一代的人。从和我差不多一辈或者更年轻的理论家,开始要匆匆寻找其他的理论出路。其中一个方案是如果暗物质质量不在WIMP的质量区间,而是在某个角落里。例如暗物质很轻的这种情况,如果低于一个质子质量或者更轻,我们对这个区间的探测没有很好的掌握。美国高能物理有一个比较活跃和时尚的潮流,就是开始转向设计一些新的实验,来找到这些不同质量区间的暗物质。


这是一个新的方向,尤其是投入其中的年轻人非常多。在美国高能物理界有一个现状或是一个笑谈,年轻人如果想找到教职的话要先设计一个新的实验,包括暗物质探测实验,比方说轴子和暗光子实验。所以大家要充分发挥想象力,未来在熊猫探测器继续做下去的同时,需要有一批人来思考我们可以work for something else。我想如果这个领域比较健康的话,不同的人需要去想做不同的事情。

   

苏萌:回到基础研究,尤其在中国的意义。暗物质作为一个典型的基础研究课题,中国在这个领域应该开展怎样的实验研究?

 

郁海波:这个一个很大的问题,可能没有一个准确的答案。我认为做基础研究,最重要的意义是发现人类尚未发现的知识;而且基础研究追求成果,只认第一,不认第二。所以若有机会参与大型实验,进行竞争是一件非常好的事情。中国10年前和现在的情况完全不一样,我们有了包括熊猫探测器,清华大学的探测器,以及悟空探测器等实验装置,引起了很多关注。这些大型实验项目在中国,除了探索最前沿研究以外,还有一个重要作用是留住年轻人才从事基础研究工作。中国有非常优秀的年轻人,通过这类科学项目让他们在中国安心从事科研,可以形成很好的人才储备。


以美国作为例子,取得发达的一个原因是有很多项目可以供科学家做他们想做的事情。至于具体的项目,我觉得现在开展的项目都很不错,而且充分发挥了年轻人的作用,在短短几年取得的结果也已接近或者超过世界水平。我建议可以允许项目更多样化,可以允许有更多的人想不同的事情,做不同的事情。这是我在美国体会最深的。在美国开一个会议,经常会有几百个人参加,产生很多非常有趣的新想法。所以我要支持年轻人进行不同的思考,再选出最有潜力的东西来,暗物质说不定就在某个角落。

 

苏萌:多信使天文学兴起促使了各个国家之间的太空观测合作。现在有一些大型合作望远镜,包括地面上GMT和TMT,也都是多个国家联合资助的项目。你是否觉得未来天文探索的发展也将依赖多国家共同合作推进的模式?

   

郁海波:我想苏教授在这个方面比我更有发言权,但是我觉得这个绝对是的。一个项目越来越大,所需要的资源越来越多,靠一个国家来承担可能出现一些难度。国际合作的一个好处是项目开展比较稳定,政府很难简单把项目及预算进行缩减。国际合作项目涉及到国际声誉之类,所以最理想的情况是你中有我,我中有你。另一方面,中国在讨论的引力波实验或者天文望远镜这些技术,应该扩展国际化的可能性。


虽然强调自主研发是一个重要的问题,但国际化会带来不同的视野,不同的角度,不同的合作。大亚湾中微子实验就是一个成功的先例。我认为除了不同国家合作,还可以鼓励不同领域间的合作。例如使用人工智能分析数据就是一个很大的进展。在天文学领域中,已经逐渐开始使用人工智能办法来分辨引力透镜等产生的效果。随着未来数据大量增加,对传统的办法提出了很大的挑战。所以除了不同国家间,不同领域间的合作都需要采用。

 


参与者提问环节:

 

观众:目前直接探测实验得到的数据离实验的极限还有多远?

 

郁海波:目前PandaX二期对暗物质核子散射截面的灵敏度大概在10的负46次方平方厘米。这个灵敏度随探测器体量增加而增加,并且依赖对本底的处理方式。刘江来教授刚才提到,未来的熊猫X四顿级实验的灵敏度可以再提高一个数量级。原则上将探测器做得足够大,暗物质探测灵敏度没有极限,但这需要克服很多技术上的难题。最终可能存在的一个极限是测到大气或太阳中微子和原子核的相干散射,即中微子的neutrino floor。将来也有可能有办法克服这个问题,如利用信号的分布区分中微子的干扰。

 

周华:悟空看到一万亿电子伏特的信号,是否能利用大型强子对撞机聚焦在这个区间寻找暗物质?

 

郁海波:这是一个非常好的问题,我想应该有很多做高能物理的人也在关注这件事。如果悟空的信号是由暗物质产生的话,很有可能会在对撞机上被看到,也很有可能在直接探测实验中被看到。另一方面,对悟空结果的解释有一定的模型依赖性。如果考虑通常的WIMP模型,这三类暗物质实验在这个能区的寻找有很强的关联性。


把所有三个信号都找到,大家会比较确定这是由暗物质产生的。但没有同时看到三种信号并不意味悟空的信号不是暗物质产生,考虑暗物质粒子不来自WIMP模型,会有另外一些模型机制减弱三类实验现象的关联性。

 

山世光:暗物质粒子占据大部分物质组成,但仍未被探测到。它们是否会聚集在某处,是什么因素造成探测如此困难?


郁海波:暗物质的分布总体在银河系中心最为密集。地球在银河系所处的位置,暗物质的密度相比可见物质来说是很低的。如果我们假设暗物质粒子质量为质子质量的100倍,那么一个茶杯里面只有一个暗物质粒子,这个密度比空气还要低。更重要的原因是暗物质不发生电磁相互作用,不发光;同时也不发生强相互作用,无法和可见物质束缚在一起。


如果它只携带弱相互作用,或者比弱相互作用强度更弱的相互作用,就很难在实验中产生大量信号。举个不是很恰当的例子,就像一个男生和一个女生之间如果没有很强的吸引力的话,在街上走可能就擦肩而过了。

 

观众:WIMP粒子模型是否被判了死刑,是否还会有其他粒子模型?

 

郁海波:这个问题很难确定。因为从理论家地角度,总能找出一个模型及模型的参数把所有的信号隐藏起来。但是作为一个解释自然现象的理论,我想越来越少的人对这类WIMP模型感兴趣。从另外一个角度来说,虽然暗物质直接探测是由WIMP理论来推动或者促使的,这类实验结果其实是比较普适的。


实验数据不仅仅对于WIMP假设有效,而且对基本上所有在这个能区里的暗物质模型都有效。我想这提供了一个人类对暗物质相互作用强度的极限认识,其实对于所有在这个区间比较敏感的暗物质粒子候选者都是普适的结果。

 

观众:是不是所有暗物质都能被找到?

 

郁海波:我本人对这个问题也不知道答案。正是因为如此,过去十年我关注的研究基本上不需要假定暗物质跟可见物质的相互作用。这是一个最坏打算,考虑如果没有相互作用会怎么样,该如何理解暗物质呢?虽然我们不希望如此,但自然界的规律不是以人类意志为转移的,我们必须做好这样的打算。

 

周华:请评价一下CEPC的前景,希格斯工厂对于科学的学术成就大不大?

 

郁海波:我对CEPC参与很少,但我对CEPC是绝对支持的。希格斯粒子是目前最新找到的粒子,而且是目前人类唯一找到的自旋为0的粒子。这个粒子地位非常特殊,所有的基本粒子产生质量的机制都和希格斯粒子所对应的场有关。所以我非常支持建造一个希格斯工厂,对这个粒子开展非常精细的研究。鉴于我们现在对希格斯粒子的了解,谁也不能百分之一百地保证对这个粒子做精细研究后,是否会找到新的物理现象。从某种程度上,我们做高能物理的人被惯坏了。


特别是在上个世纪中后期的时候,几乎每建一个对撞机就能找到新粒子,使人觉得找到新物理或新粒子好像是一件非常容易、习以为常的事情。事实并不是这样,我想过去30年来除中微子物理有很大突破以外,最重要的基本粒子发现就是希格斯粒子。虽然无法保证CEPC会发现新粒子,但开展基础研究除了科学本身的意义以外,还有聚集培养人才的意义。对于中国这点特别突出。建造希格斯工厂所涉及到的这些尖端的工艺,若能在中国完成,是一件非常重要的事情。


如我在这个透明片上提到的,探测器材料的提纯程度要求如此之高,以至于除了进行此类基础物理实验外是不会想到要去实现这样的纯度。只有在做基础物理,在获取人类知识极限的时候才会做这样的事情。一旦达到这个水平之后,在其他工业领域的运用就是小菜一碟的事情。所以我认为只要是能够做到突破人类知识极限的这些工作,这些工程,这些科学项目,我本人觉得应该大力支持。


特别鸣谢:许陶,浙江大学博士生。


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