揭秘暗物質神秘隱形斗篷 暗物質：你看不見我

據外媒報道，安裝於國際空間站的粒子物理試驗設備阿爾法磁譜儀近日獲取了關於反質子流抵達地球大氣層的最新數據，這一數據的準確性前所未有。兩個獨立的研究團隊同樣採用這一最新數據，取得了一致的研究成果。他們聲稱，一些反質子應該是產生於暗物質粒子碰撞。

這一發現並非科學家首次嘗試發現暗物質的證據。但考慮到阿爾法磁譜儀最新數據的準確性，最新發現應該可以看作是最強有力的證據。

（圖片來源網路）

暗物質作為宇宙最神秘的力量，上世紀20年代開始引起了科學家的注意，長達近一百年的科學研究已基本證明它的存在，因測量方法或計算方法不準確所導致不同結果的誤差，有人質疑它不足以證明真的有「暗物質」存在，但就現有的科技與認知來看，學界更傾向於其「存在」的理論與證明方法。暗物質到底是啥？

籠統地說，暗物質一種暫未被準確定義的構成宇宙的一種物質，2013年，歐洲普朗克宇宙探測器團隊推測宇宙的年齡為137.98±0.37億歲，由4.9%的普通物質, 26.8%的暗物質和68.3%的暗能量組成。

而暗物質之所以稱為「暗物質」，那是因為依據已有的證明暗物質存在的證據，沒有一種已知粒子符合它的特點。

首先，暗物質不發光卻有引力，因為我們是通過引力方法測量到它的存在。

其次，暗物質粒子的主要性質有以下三點：

1. 暗物質粒子的壽命比較長。因為宇宙演化了一百三十多億年，暗物質仍然存在。可以推測，要麼暗物質是和質子一樣，不會衰變的；要麼暗物質雖然衰變，但速率非常低；

2.暗物質主要是冷的，也就意味著它的速度比較低，質量比較大；

3.暗物質粒子之間的相互作用很弱。暗物質粒子不參與電磁相互作用，它們之間存在的引力相互作用以及可能存在的弱相互作用，這兩種作用都很弱。

在新的粒子物理模型中，有很多粒子的性質很像暗物質粒子，可惜，沒有一個完全符合。

下面我們逐個分析。下圖是標準模型，包含除了引力子以外的所有已知粒子：

圖：現有粒子模型

從左上角看起。右上角是夸克家族，包括六類夸克，共計36種。為什麼夸克不能是暗物質粒子呢？因為夸克都帶電，帶電就會發光。

左下角是輕子家族。電子、μ子和τ粒子都帶有電荷。而中微子雖然不帶電荷，但它質量比較輕，速度比較大。

右邊是玻色子家族。其中，光子是電磁相互作用的媒介粒子，肯定不是暗物質。W及Z玻色子雖然是弱相互作用的媒介粒子，但它們不穩定。膠子是強相互作用的媒介粒子。

最中間還有一個不標準的玻色子，是希格斯粒子。它的衰變非常快速，不穩定。

經以上排除，我們大致可推知暗物質粒子應是未知的一種新粒子。

尋找暗物質

目前，用於尋找暗物質的方法大致有以下三種：

1. 模擬宇宙大爆炸：利用大型強子對撞機，模擬宇宙大爆炸之初的樣子，試圖發現暗物質；

2. 探測暗物質例子與普通例子碰撞發生的信號：根據科學觀測，暗物質與普通物質有極小概率會碰撞並發出信號，但由於信號太弱，為了屏蔽其他宇宙射線的影響，我們選擇將精密儀器置於地底的深坑進行探測；

3. 空間間接探測：暗物質粒子可能會湮滅或衰變，該過程中發出的宇宙射線可能被發射到太空中的探測器探測到。

我國的暗物質探尋之路

我國探測暗物質的方法屬於空間間接探測——2015年12月17日，中國首顆暗物質例子探測衛星DAMPE發射，中國科學院空間科學先導專項中首批確定立項研製的4顆科學實驗衛星之一，是目前世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星。

我國暗物質粒子探測衛星的主要科學目標有三個：一是暗物質間接探測，也是最主要的；二是尋找宇宙射線的起源；三是伽馬射線天體物理。

圖：DAMPE內部結構

這顆衛星由四大部分組成，從上往下依次是：塑料閃爍體探測器；Si陣列探測器；BGO量能器，中子探測器。其功能分別為：

塑料閃爍體探測器：區分電荷。電子和光子打進來，是不同的。

Si陣列探測器：測量宇宙線的方向和電荷。

BGO量能器：最為重要，測量宇宙線的能量。

中子探測器：區分質子和電子。如上圖所示，質子打進來的話，在底端會產生很多中子，而高能宇宙線的電子打進來，產生的中子很少。

1. 能夠測量的宇宙線的能量非常高，可以測量到104個GeV；

2. 能量解析度高，可以達到1%左右，測得比較准；

3. 測量能量的本底比較低，也就是區分電子和質子的能力非常強。

對了，它還有個十分中國風的名字——「悟空號」，取「探索、領悟太空」之意，也寄予了我們盼望它如孫行者一般在杳渺太空能為我們取回「真經」的美好願望。

雖然暗物質探索道阻且長，且到目前為止我們並不十分清楚它的真正應用價值及可能的探測後果，但是人類現有的幸福都是從當初的已知的0%開始的，如今宇宙那未知的26.8%仍在等待著我們，希望這朵「籠罩在21世紀物理學天空中的烏雲」終有一天能夠散開，不再有「妖魔」阻擋科學的康庄大道。

出品：科普中國

製作：生生不息團隊 黨以凡

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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