发信人: jeter()
整理人: jeter(2000-10-10 01:07:59), 站内信件
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寻找暗物质
高山
当人类面对这深邃的宇宙开始思考一些问题的时候，他们就已经开始
研究宇宙的组成了。宇宙究竟是由什么组成的呢？古希腊的哲学家泰勒斯
认为万物都是水做的，而赫拉克利特则认为火是永恒的物质。当科学的脚
步已经迈入二十一世纪的今天，人们对这一问题的答案似乎已非常确信，
他们会自傲地宣称一切物质都由质子、中子和电子等基本粒子所组成。
然而，宇宙中究竟存在多少种基本粒子呢？宇宙中其它地方的物质是
否与我们身边的物质具有相同的结构呢？遗憾的是，今天的科学理论还不
能给出一个满意的答案。实际上，科学家们至今还不清楚宇宙主要是由什
么物质组成的，他们一直认为宇宙的主要成分是发光的恒星，但是大量的
天文观测数据显示，恒星只占宇宙总质量的很小的一部分。因此，组成宇
宙的大多数物质将是不可见的，它们被称为暗物质。目前，对于暗物质的
本质人们还知之甚少，暗物质问题已成为当代宇宙学和粒子物理学中最重
要的问题。
暗物质的存在
我们知道，宇宙中存在着许多不发光的天体，诸如暗星、行星和黑洞
等，并且在星际空间还存在着大量不可见的尘埃和气体。因此，我们看到
的物质显然比宇宙中实际存在的物质少。
宇宙中存在暗物质的严格证据来自于天体动力学。科学家们对宇宙中
各种星系的运动情况进行了精确测量，测量结果显示几乎所有星系中星云
的运动速度都不随半径而改变。根据牛顿定律，这表明在星系周围的空间
中存在着看不见的晕，因此在整个宇宙中必然存在着大量的不可见物质或
暗物质。
最近二十年来，人们对银河系中恒星的运动方式进行了更为细致的研
究，结果发现在银河系的整个银盘内恒星的运动速度仍大致相同。这表明
银河系的质量并未集中于中央，而是表现为某种平均分布。因此，相对于
聚集在银河系中央的大量发光物质，在银河系银盘的外围必定存在更大量
的暗物质。
大量的天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，而且暗物质还
将占宇宙物质的绝大部分。暗物质问题的重要性在于，暗物质的多少将决
定宇宙的命运，即我们的宇宙最终将要收缩还是永远膨胀下去。
宇宙大爆炸模型与暴胀宇宙论
1929年，美国天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律，即星系的红移量
与它们离地球的距离成正比。这一定律至今已为大量的天文观测所证实，
它清晰地表明整个宇宙正在膨胀。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人
首次提出了宇宙大爆炸理论，这一理论认为我们的宇宙起源于一次大爆炸。
1964年，Bell实验室的射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现了大爆炸遗留
下来的宇宙微波背景辐射，为宇宙大爆炸理论提供了进一步的实验证实。
今天，宇宙大爆炸理论已成为当代宇宙学的标准理论，它为宇宙的形成和
演变提供了基本的描述，并且在预言微波背景辐射的存在以及化学元素的
相对丰度等方面取得了巨大的成功。
二十世纪七十年代以来，物理学家古斯和林德等人又进一步提出了暴
胀宇宙论，认为在宇宙早期还存在一个急速膨胀的过程。暴胀宇宙论可以
很好地解决宇宙中物质分布的均匀性以及宇宙膨胀速度的各向同性等问题。
此外，暴胀宇宙论还有一个惊人的预言，即宇宙的总质量应接近于宇宙临
界质量，从而约为目前观测到的宇宙质量的十倍。因此，我们目前的宇宙
学理论同样预言了暗物质的存在，并且认为宇宙中绝大多数的物质应当是
暗物质。
暗物质的可能形态
对于暗物质的可能形态，科学家们提出了不同的理论模型，其中被普
遍接受的暗物质模型是MDM模型。MDM模型基于三个重要的科学事实和思想，
即宇宙膨胀观测事实、大爆炸核合成理论和基本粒子的相互作用理论，它
认为宇宙是由冷暗物质和热暗物质的混合体构成的2，其中大部分物质以
冷暗物质的形态存在，即由大爆炸早期残留下来的缓慢运动的基本粒子所
组成。一些关于宇宙大尺度星系形成的Monte Carlo模拟指出，暗物质的
最佳组成方式是：热暗物质约占暗物质总量的四分之一，而冷暗物质约占
暗物质总量的四分之三。
目前，科学家们已经给出了一些组成暗物质的可能粒子。
(1)重子
一般认为，暗物质可能以较为常见的形式存在，例如行星尺度的物质
和暗恒星等。根据大爆炸核合成理论和目前观测到的元素丰度数据可以知
道，尽管宇宙中的重子密度小于宇宙物质密度，但却远大于发光物质密度。
这表明，尽管暗物质不可能完全由重子组成，但重子物质及其组成的暗天
体应当是暗物质的组成部分之一。
一种由重子暗物质组成的可能天体是褐矮星，它们一般也被称为重质
量致密晕体(MACHO)。根据爱因斯坦的广义相对论，这种暗天体可以通过
引力透镜现象来寻找。最近，天文学家已经找到了这种星体的几个候选者。
(2)中微子
根据宇宙大爆炸理论，大爆炸不仅是目前可见物质的本源，也是不可
见物质，即暗物质的本源。大爆炸残骸中除了人们熟悉的质子、中子和电
子以外，最主要的粒子就是中微子。由于中微子是稳定的，并且不与光子
发生相互作用，因此整个宇宙应当充满大爆炸所产生的大量的中微子，并
且它们是暗物质的一部分。
利用宇宙标准模型人们可以计算出目前中微子的数量，结果是每立方
分米内约存在10亿个中微子。这的确令人吃惊，譬如说，在你的身体中每
一时刻都存在大约1000亿个中微子。然而，由于中微子的质量非常小，或
许为零3，它们作为暗物质对宇宙密度的贡献可能很小。
(3)轴子(Axions)
轴子是人们为了解决强电荷－宇称(CP)问题而引进的一种假想的玻色
子。理论上，轴子的质量可以为任何值，但一些高能物理实验已显示轴子
如果存在，它的质量也是很小的。因此，轴子对暗物质的贡献也可能很小。
(4)弱相互作用重粒子(WIMP)
目前最有希望的暗物质候选者是超对称理论所预言的具有超对称特性
的一类粒子，其中最稳定的是一种中性、重质量的弱相互作用粒子，人们
通常称它为弱相互作用重粒子，即WIMP。为了解决早期宇宙的热力学平衡
问题，宇宙大爆炸理论也要求存在一种稳定的、弱相互作用量级的重质量
粒子，这种粒子会在宇宙演化的某一时刻从热力学平衡中遗留下来，从而
在宇宙中保持一定的丰度。因此，寻找WIMP已成为当代实验物理学中一个
十分重要的问题。
超对称标准模型
20世纪70年代以来，弱电统一理论和量子色动力学已经为大部分高能
物理实验所证实，它们结合在一起被称为粒子物理的标准模型。然而，标
准模型只是一个唯象的理论，它仍存在许多问题，如理论中存在太多的自
由参数、电荷不能被量子化以及等级问题等等，其中前两个问题可以通过
引进弱、电、强的大统一而得到解决，而等级问题则与希格斯(Higgs)粒
子的存在有关，它要求引进一种新的对称性——超对称。
近十几年来，粒子物理学家们提出了许多种大统一理论方案，其中最
小超对称标准模型被认为是极有希望的。根据这一模型，宇宙中将存在一
种中性的稳定粒子，它的质量下限约为50GeV（即约为质子质量的55倍），
并且这种粒子所引起的物理现象有可能在宇宙线实验中被观测到。实际上，
一些实验已经发现在宇宙线中可能存在这种长寿命、重质量、中性的弱相
互作用粒子，例如，1972年的云南站实验，1979年的Kolar实验和其它一
些实验已经观测到了一批奇异的粒子衰变事例，它们提供了这种粒子存在
的迹象。
WIMP的实验探测
由于WIMP可以几乎不留痕迹地通过其它物质，因此探测它是十分困难
的。一种方法是间接法，它通过探测正反WIMP湮灭所产生的次级粒子来间
接检测WIMP的存在，实验上可利用地下大型的中微子探测器或空间磁谱仪
等规模大、接收灵敏度高的设备来完成；另一种方法是通过WIMP与普通物
质的相互作用来直接检测它的存在。尽管这种相互作用很弱，但由于WIMP
具有较大的质量，人们仍然可以探测到一个WIMP与原子核相撞时所发出的
声音，即检测到由WIMP所引起的原子核的反冲。实验仪器可以由放在致冷
系统中的硅晶体或其它晶体组成，当一个WIMP和一个原子核发生碰撞时，
它对原子核的冲击会产生晶体振动，这种振动或声波在向外传播时转变为
热能而衰减下来。实验人员可以通过检测这种碰撞所导致的极小的热脉冲
来检验WIMP的存在。
世界各国的科学家们一直在努力寻找WIMP的踪影。最近，意大利的一
个实验小组经过近三年的观测后，已经得到了能够证实WIMP存在的初步证
据，并且估计出这种WIMP的质量至少是质子质量的50倍。这个科研小组由
意大利罗马大学和中国科学院高能物理研究所的研究人员共同组成，他们
利用放射性很低的碘化钠晶体阵列来直接探测WIMP，同时将实验设备安装
在岩层厚度达1000米的山洞中，以屏蔽宇宙射线的干扰。
一旦WIMP的存在得到最终的实验证实，将不仅为宇宙大爆炸理论和超
对称粒子物理模型提供新的实验支持，同时也将为我们宇宙的未来命运提
供一个满意的答案。因此，我国科学家已经准备在这一方向上开展进一步
的实验工作。日前，在国家自然科学基金的支持下，我国已经成立了探测
WIMP的科研小组，预计在3年内可以对WIMP的存在问题给出一个确切的答
案。
备用图
天文观测仪器
1. 图中每个尖峰代表一个星系，尖峰附近的隆起部分代表超过所有
星系质量250倍的暗物质。本图像由贝尔实验室的G. Kochanski等人提供。
2. 冷暗物质定义为物质粒子的质量在GeV以上量级的暗物质，而热暗
物质定义为粒子质量在eV以下量级的暗物质。
3. 目前实验上所测量的中微子的质量上限为电子质量的三万分之一。
——国外科技动态
RECENT DEVELOPMENTS IN SCIENCE & TECHNOLOGY ABROAD
2000 No.7 P.27-29
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※ 来源:．月光软件站 http://www.moon-soft.com．[FROM: 202.104.137.20]
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