577｜常进：探测暗物质｜中科院紫金山天文台｜格致SELF

欢迎订阅我的频道，https://bit.ly/3tnM6wI ，每日上新一支新影片😊

常进：探测暗物质

常进 暗物质粒子探测卫星首席科学家 中科院紫金山天文台副台长

我叫常进,目前是暗物质粒子探测卫星的首席科学家。我向大家介绍一下空间探测暗物质粒子的一些情况。

　　从太阳系的边缘看地球，地球就像一颗太阳里的浮尘。银河系里大概包含了一千亿个这样的太阳，当我们从银河系里看太阳的时候，它根本连浮尘都算不上，是一个点。

　　银河系是一个棒旋星系，包括一根棒，两个大的旋臂，两个大的旋臂又分了好多小的旋臂。银河系里的太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年。在北京兴隆山上,有个LAMOST望远镜，它是我国目前最大的光学望远镜，通过测量大量的恒星光谱，得出太阳的速度是每秒240公里。太阳绕银河系中间转，转一圈需要2.3亿年，所以你这辈子都不可能绕银河系转一圈了。

　　我们知道，人造卫星绕地球转，离地球越近的时候速度越快，离地球越远的时候速度要慢下来。如果卫星在离地球很远的地方仍然保持高速，它肯定会跑出地球，飞进太阳系。

　　但有一个很有趣的现象，银河系里的发光物质或者气体的分布，大概是10万光年这样的尺度。根据太阳和银河系中间发光物质的分布，科学家可以准确地把太阳绕银河系的速度计算出来，大概是每秒160公里。

　　刚才我们提到，LAMOST观测到的太阳实际绕行速度不是160而是240公里，为什么太阳的速度这么快，却没有飞出去银河系呢？是因为太阳和银河系中间存在着大量我们还没看得见、看不见的物质，可能是暗物质。

　　我们测量银河系外围的星云也就是气体绕银河系转的速度，发现它的速度也在200公里左右。根据这些尺度、速度、距离，我们大概推断出银河系里的物质分布大概是发光物质分布的10倍，还有90％的东西是不发光的。

　　这是一个微波背景图像，也就是宇宙大爆炸38万光年以后,宇宙辐射冷却下来的一个图像。现在宇宙学进入精确宇宙学时代，测温度我们精确到零点几个毫K，也就是10^-6开尔文的变化。

　　可以看到,有的地方红一点，有地方蓝一点，看上去相差很大，实际上是图片把它放大了，温度变化其实只有千分之一左右。这千分之一的变化，就表示了整个宇宙中的物质分布情况，有的地方分布得多，有的地方分布得少。

　　根据这张图，再结合刚才的旋转曲线、X射线观测、引力透镜的观测情况，总之有大量的天文观测，现在的最新结果表示，宇宙中我们只弄清了5%，还有95%是看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占26%点几，接近70%的是暗能量。

　　我今天重点讲暗物质。刚才讲了那么多天文观测结果，表明暗物质在宇宙中是肯定存在，但是暗物质的物理性质是什么呢？

　　人类到目前为止已经弄清楚，物质是由61种基本粒子组成的。前几年“上帝粒子”被发现了，但是这61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合，那么暗物质粒子必须具备什么性质呢？

　　长寿命、质量大，不参与强相互作用和电磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，现在还未被证实。这就是暗物质粒子探测这么热门的原因，也就是说，如果我们在暗物质方面取得一些突破，肯定在标准的物理学上也会取得突破。

　　61种基本粒子最难测出来的是希格斯粒子——上帝粒子。为什么它这么难探测？是因为不知道它的质量多大。

　　这里我讲一个故事。我有个朋友他现在已经退休了，希格斯粒子——上帝粒子上个世纪60年代提出来的时候，他当时正好是念高能物理的研究生，他的主要研究方向就是寻找希格斯粒子。

　　当时世界上认为，希格斯粒子在MeV（百万电子伏特）量级，认为在实验室就可以探测到——我们知道,核物理构成大部分在MeV。后来实验室并没探测到。有科学家认为,可能它在几十个MeV，接近GeV（十亿电子伏特），于是拿到加速器上去测。所以我这个朋友到斯坦福去做博士后，在斯坦福搞了5年还是没探测到，他认为希格斯粒子的质量可能在GeV以上，有十个GeV左右。

　　那时候，德国有一个最大的加速器就叫DESY。我们知道丁肇中先生诺贝尔奖拿到以后，也是在DESY做高能物理实验。在DESY加速器上找希格斯粒子，花了有10年时间还是没找到，于是认为希格斯粒子的质量可能在几十个GeV。那时候，最大的加速器已经搬到欧洲核子中心，也就是瑞士日内瓦和法国交界的地方，名字叫LEP对撞机。

　　我那朋友又在LEP上干了十几年，还是没有找到，认为希格斯粒子可能在100Gev以上。这时候更大的大型强子对撞机建好了，找到了希格斯粒子，但是他已经退休了。

　　到目前为止，我们还不知道暗物质粒子质量究竟多大，但是我们希望这样的故事不要在我们身上发生。我们努力工作，希望能够尽快找到暗物质粒子。

　　刚才讲了，暗物质在宏观分布上占宇宙的主要部分，但在微观密度上并不强，在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3个质子。这个数字比较抽象，比如地球这么大的体积装满了暗物质，大概只有几公斤，所以在地球附近找到暗物质是一件很难的事情。

　　那么怎么去探测暗物质粒子？有三种方法，第一种是在加速器上探测。加速器上通过高温粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子碰撞出来探测到它。

　　目前最大的加速器，也就是发现上帝粒子的LEP强子对撞机，对撞能量目前已经到了13个TeV（1000GeV），实际是14个TeV。可惜四五年下来了，暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。

　　第二种方法是地下直接探测法。让暗物质粒子与普通原子核碰撞，像打台球一样的，一个球撞另外一个球。暗物质本身不可见，但是暗物质碰撞另外一个球（原子核）以后，原子核会动，通过探测反冲原子核来探测暗物质粒子。

　　为什么放到地底下？因为球动的能量量级大概在KeV（千电子伏特）到MeV量级，而地面上这样的本底（环境中本身存在的）最多，尤其是宇宙射线，天上来的高能粒子轰击大气，产生的大量次级粒子也在这个能段里面。

　　所以为了屏蔽这一部分本底，必须把探测器放到地底下，放得越深本底会越低。我们国家将在锦屏山建立世界上最深的地下试验室，用来探测暗物质粒子，上海交大和清华大学都有实验在那儿做。

　　第三种方法是空间探测暗物质粒子。因为暗物质粒子来自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸刚开始的时候，暗物质粒子和暗物质粒子碰撞产生看得见的粒子，但是看得见的普通物质粒子碰撞全部产生暗物质吗？到目前为止，研究表明是不可能的，否则我们就不可能存在，因为物质都变成暗物质了。

　　所以从逻辑上讲，暗物质和暗物质碰撞肯定会产生看得见的粒子。于是我们通过探测暗物质粒子碰撞所产生的看得见的粒子，去探测看不见的暗物质粒子。

　　到目前为止，加速器上没有看到暗物质粒子的信号，地下实验也没有看到暗物质粒子的信号，天上也没有看到，但是看到了一些迹象。比如丁肇中先生领导的AMS团队，通过在天上差不多5年多的数据，发现宇宙中，高能正电子流量比理论模型要高。

　　理论模型预计，正电子流量随着能量的增加，应该往下降。但是在天上发现，随着能量的增加，流量并没有掉下来，反而增加了。这些增加的正电子，是来自于暗物质粒子，还是来自特殊的天体物理过程，我们并不是很清楚。

　　目前还没有办法下结论，主要原因是探测器不够大、灵敏度不够，观测的能量区间比较低。所以，我们需要一个新的探测器，通过探测天上的高能粒子能量、方向、电荷，鉴别出它的种类，来探测暗物质粒子。这就是我们暗物质卫星提出的主要的背景。

　　暗物质粒子探测卫星，实际上是一个望远镜。

　　它工作在高能量波段，大概比光学的波段要高1012，所以这

　　么高能量的高能光子和探测器作用以后，它不会产生反射、折射等普通的波的光学性质，高能光子和探测器发生作用后产生正负电子对，我们这个望远镜通过探测正负电子对的方向、能量，来判断天上高能光子的方向和能量。

👇🏽歡迎嘗試我頻道裡的其他影片👇🏽

通信：   • 通信  

人工智能：   • AI·人工智能  

航天：   • 航天  

宇宙：   • 宇宙  

教育：   • 教育  

少年中国：   • 少年中国  

植物：   • 中国科学院植物研究所  

生物：   • 生物  

心理：   • 心理  

医学：   • 医学  

生态：   • 医学  

环境：   • 环境  

药学：   • 药学  

数学：   • 数学  

物理：   • 物理  

化学：   • 化学  

艺术：   • 艺术  

摄影：   • 摄影  

传媒：   • 传媒  

考古：   • 考古  

恐龙：   • 恐龙  

诺贝尔奖：   • 诺贝尔奖  

工程：   • 工程  

#暗物质
#中科院
#格致论道
#科学
#科普
#知识
#知识科普
#格致論道
#科學
#知識
#知識科普
#教育