為何「黑暗物質」如此重要？

5 April 2013國際空間站在對所謂的「黑暗物質」（dark matter）的研究上有了新的突破。「黑暗物質」被認為是粘合宇宙、避免太陽「衝出」銀河系的神秘物質，但科學家一直無法證明其存在。目前，國際空間站的一台造價20億美元的感測器觀察到了一種「新的物理現象」。FRIL 5 April 2013 AUSTRALIASBS SPECIAL BROADCASTINGSERVICE TECHNOLOGY REPORTLN 76 LANGUAGES BROADCASTING STATION

本版新聞每天可能幾萬億個暗物質穿過你身體社長：龔曙光 國內統一刊號：CN43-0057 2013年4月6日星期六每天可能幾萬億個暗物質穿過你身體丁肇中團隊三點發現都支持正電子來源於暗物質，但正電子最終來源還需確認2013年4月6日

阿爾法磁譜儀結構圖

2011年5月16日，美國「奮進」號太空梭執行最後一次任務，將太空粒子探測器阿爾法磁譜儀送至國際空間站。3天後，宇航員將7.5噸的阿爾法磁譜儀安裝在空間站外部金屬託架上（上圖）。阿爾法磁譜儀項目實際上是一個大型粒子物理實驗，首要目的是尋找宇宙中的暗物質及其起源。暗物質碰撞會產生額外的正電子，這些正電子的特徵會被阿爾法磁譜儀精確地測量到。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質占宇宙25％，暗能量佔70％，而人類所觀測到的普通物質只佔宇宙質量5％。暗物質和暗能量一直是個謎。謎底可能很快揭曉。近日，科學家丁肇中團隊發現40萬個正電子，可能來自人類尋找的暗物質。綜合新華社、《人民日報》報道當地時間4月3日，諾貝爾獎獲得者、華裔物理學家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項目團隊宣布的成果，讓人類在認識暗物質的道路上邁出重要一步。丁肇中團隊藉助阿爾法磁譜儀已發現40萬個正電子，這些正電子可能來自人類一直尋找的暗物質。丁肇中團隊的報告當天發表在《物理評論快報》上。這份著名的學術刊物同時刊發署名評論說，新成果具有「史無前例的靈敏度」，儘管現在還不能排除其他可能性，但它「強烈暗示」人們已捕捉到了暗物質的痕迹。當天晚間，丁肇中接受記者採訪時說，目前阿爾法磁譜儀收集到40萬個正電子，遠遠超出人們的想像。此前包括美國費米望遠鏡等項目都曾觀察到過正電子現象，但數據誤差很大，而阿爾法磁譜儀的誤差只有1％，「相當於肉眼和精密顯微鏡的區別」。暗物質以220千米/秒高速運動、與普通物質相互作用弱難以探測，捕捉它需「上天入地」。「每天可能有幾萬億個暗物質以高速穿過你的身體，且未留下任何痕迹，讓你完全感受不到。」中科院高能物理所研究員、博士生導師張新民做了個比較，56式半自動步槍子彈出膛的速度是每秒700米，而這些暗物質粒子卻是以每秒220千米的高速在運動，是前者的300倍。丁肇中：還需最終確認正電子來源諾貝爾獎得主、美籍華裔物理學家丁肇中3日表示，仍應保持冷靜。刊登在《物理評論快報》的成果顯示，在5億至100億電子伏特區間內，正電子占正電子和電子總和的比例隨能量的增加而減小；在100億到2500億電子伏特的區間內，比例遞增；到2500億電子伏特之後，比例曲線基本變平。正電子比例能譜沒有隨時間改變，高能正電子不是來自空間某個特定的方向。丁肇中說，成果表明：正電子比例隨能量增加繼續上升；比例上升很平衡，沒有出現峰值；正電子來源沒有特定方向，「這三點都支持正電子來源於暗物質，可是沒有完全的證據。」他指出，要確認正電子是由暗物質粒子碰撞、湮滅產生的，還需觀測到正電子比例上升到峰值後是否有驟降。如果觀察到驟降，說明來自暗物質對撞；如緩慢下降，則可能來自脈衝星。丁肇中說，作為AMS這樣一個大型物理實驗項目的負責人，必須保持冷靜，因此對正電子來源持開放態度，「最重要是把數據準確地拿出來，不要有誤差，」他說，「千萬不能有偏見」。丁肇中說，可能還要花時間才能最終確定這些正電子「是怎麼來的」。他說，目前收集到的數據是AMS預期收集數據的10％左右，這個項目還是「剛剛開始」，還有很多未知待探測。[解釋]問題一：什麼是暗物質？暗物質是宇宙中看不見的物質。現在我們看到的天體，要麼發光，如太陽，要麼反光，如月亮，但有跡象表明，宇宙中還存在大量人們看不見的物質。它們不發出可見光或其他電磁波，用天文望遠鏡觀測不到。但它們能夠產生萬有引力，對可見的物質產生作用。迄今的研究和分析表明，暗物質在宇宙中所佔的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質。問題二：探測暗物質有何意義？暗物質被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題。搞清楚構成暗物質的組成是科學界的一個「大獎」，因為這是理解宇宙形狀、大小甚至命運的關鍵。目前，暗物質的存在已經被人們普遍接受。人們認為暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星和行星，更談不上今天的人類。暗物質的存在是通過天文觀測推測出來的，然而目前被廣泛認可的粒子物理學標準模型預言的62種基本粒子中不包含能解釋暗物質的基本粒子，因此，探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。問題三：如何探測暗物質？暗物質的探測方法主要分為直接探測法和間接探測法。所謂直接探測法是指直接探測暗物質粒子和原子核碰撞所產生的光學、聲學、電子學信號。由於發生碰撞的概率很小，產生的信號也很微弱，通常要把探測裝置安裝在地下深處。暗物質的間接探測法主要是觀測暗物質粒子衰變或互相作用後產生的正電子、反質子、中微子等穩定粒子。由於地球大氣的影響，在地面上無法精確測定粒子的能譜，這類實驗必須要在空間進行。
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