暗物質粒子到底何時現身?

元宵節前，傳來丁肇中先生領導的一個大型太空實驗發現暗物質的消息。好幾家媒體要我談談看法或寫點東西介紹一下。我說，現在只有英國BBC一家新聞，而且語焉不詳，現在談這件事還太早。

不僅媒體在等，研究暗物質的同行更在焦急地等。畢竟，從天文學家第一次推測暗物質的存在已經過去了80年，從天文學家作為一個整體全面承認暗物質的存在也過去了30年，我們只是由對大型天體系統觀測間接地推測暗物質的存在，還沒有人直接探測到暗物質。

那麼，丁肇中的團隊到底做了什麼？他們終於在4月3日發表了一篇論文，我們終於可以從這篇論文直接解讀他們到底發現了什麼，而不必從丁肇中謹慎的演講以及他的面部表情中解讀這些內容了。

丁肇中團隊實驗的正式名稱叫做阿爾法磁譜儀，這是一臺固定在國際空間站上的設備。現在正在運作的阿爾法磁譜儀已經是第二代了，於2011年5月發射。因為是第二代，物理學家用簡稱AMS-02來稱呼它。這個實驗總造價15億美元，曾經引起過爭議。不過，經過19個月的觀測，AMS發表的結果足以證明這筆錢是花得值的。

天文學家推測暗物質存在

那麼，暗物質是什麼？各國政府為什麼捨得花大價錢建造AMS和其他一些暗物質探測設備，試圖找到這種看不見摸不著的物質？

1932年，荷蘭天文學家奧爾特通過對銀河系中的恆星的運動推測銀河系裡面應該有更多的質量，也就是說，有一些隱藏的質量不能用可見的恆星來解釋， 事後他的結果被認為是錯誤的。奧爾特是一個高產的天文學家，太陽系外圍的奧爾特雲就是以他的名字命名的。1933年，瑞士天文學家茲威基研究了由星繫結成的星系團，得到類似的結論。他研究的對象是后髮星系團，這是一個巨大的星系團，含有上千個星系。不過，茲威基推測的暗物質質量實在太大了。

天文學界真正積累了暗物質證據的時代是上世紀60年代。女天文學家魯賓對當時天文學的主流研究不感興趣，去研究不那麼主流的星系轉動曲線。所謂星系轉動曲線就是旋轉的星系在距離星系中心不同距離處的速度曲線。她和同事福特一同發現，多數渦旋星系的轉動速度大於理論計算的數值，一個最簡單的原因是，這些星系含有很多不可見的質量。他們的結果是，星系平均含有高於可見物質6倍的暗物質。

經過天文學家長期的檢驗，魯賓等人的結論得以確立，人們找到了更多的暗物質存在的證據，包括觀測到了星系引力場對其後面其他星系光線的彎曲，以及現代宇宙學的一些觀測。今天，研究星系以及星系尺度之上的天文學不用暗物質幾乎是不可能的。

2012年3月2日，美國航天局公布合併星系團Abell 520多波段圖像。巨大的星系團正發生碰撞，但天體物理學家不清楚為何暗物質會與正常物質分離。在上面這張多波段影像中，暗物質以藍色呈現，這是通過仔細分析遠方星系發出的光被引力扭曲的程度而描繪出來的。圖片來源：NASA

黑洞？還是特殊粒子？

在我讀研究生的時候，人們還不知道暗物質究竟是什麼。當時流行的兩個主要候選者有燃燒盡的恆星和黑洞，以及所謂的「極弱相互作用粒子」，這兩類候選者有一個共同特點，都是不發光不可能用電磁學手段探測到的東西，但都引起更大的萬有引力。慢慢地，人們認為只有極弱相互作用粒子是可能的候選者。

近年來，宇宙學觀測的主要方式有好多種，最引人注目的有兩種，一種是用Ia型超新星測量宇宙膨脹的歷史，得出的結論是，暗物質佔宇宙總質量的 25%。第二種方式是探測宇宙中無所不在的微波背景輻射，這一種方法得到的最新結論是，暗物質佔宇宙總質量的26.8%。可見物質有多少？只有4.9%， 這個結果證明，當年魯賓等人的結果接近正確。（參見《宇宙學幾乎完美，除了「邪惡軸心」》一文）

現在，天文學家對暗物質的「共識」是，暗物質的主要成分是不參與電磁相互作用的粒子，這些粒子統稱WIMPs（參與極弱相互作用的重粒子）。這些粒子較重，運動的速度較低，叫做冷暗物質，分布於星系中和星系的外圍，以及星系團中和星系團的外圍——這些結構叫暗物質暈。星系的暗物質暈的密度要大於星系團的暗物質暈。它們的存在使得每個恆星感受到的引力大於恆星引起的引力，使得每個恆星繞星系中心的運動速度變大，使得星系團中的星系之間的相對運動速度變大。另外，它們對背景的星系和星系團具有引力透鏡效應。除了可見的引力效應外，暗物質的存在影響了微波背景輻射以及大尺度結構的形成。

地下實驗室試圖直接探測暗物質

推測暗物質存在的是天文學家，現在，輪到物理學家登場了。

直接探測暗物質的實驗已經進行多年，還沒有任何具有說服力的結果。這些實驗都是地下實驗，選擇在地下建造實驗室是為了屏蔽宇宙射線以及地球表面的其他輻射背景。

地下實驗室用來探測暗物質的方法有兩個，一個是將晶體放在極低溫的環境中探測，溫度低於100毫開爾文。當暗物質粒子擊中晶體中的一個原子核， 原子核反衝可以被探測到，例如反衝可以產生微小的熱量。最常用的晶體是鍺。第二種方式是用惰性液體，暗物質粒子與液體中的原子發生反應後產生光子，這些光子可以被探測到。常用的液體有氙和氬。

到目前為止，還沒有公認的暗物質被探測到的事例。義大利Gran Sasso地下實驗室中的DAMA實驗從1996年開始收集數據（用晶體探測手段），到2002年升級，從2003年開始繼續收集數據。DAMA實驗發現，暗物質導致以年為周期的調製現象。也就是說，由於地球在每年不同的時間相對暗物質的平均速度不同，導致暗物質引發的反衝事例數不同，這個不同會在其他背景事件之上出現年調製現象。但這個結果爭議很大，因為其他實驗沒有證實這個現象，而其他實驗用更加成熟的方法扣除了背景導致的事件。

多餘的正電子，暗物質的影子？

探測暗物質的第二大類實驗是所謂的間接探測，即不是直接觀測暗物質與探測器的碰撞，而是探測宇宙空間中暗物質相互作用的後果。例如，假如暗物質粒子就是其反粒子，那麼暗物質粒子之間會互相湮滅產生高能光子和正負電子，通過對高能光子和正負電子的探測，我們可以間接地探測暗物質。目前，在太空中最有名的實驗是義大利的PAMELA實驗，這個實驗在2008年探測到多餘的正電子。同樣，2011年，美國的費米伽瑪射線太空望遠鏡在更高的能量探測到多餘的正電子。

正電子當然不是暗物質，是反物質的一種。一般來說，由於恆星和星際物質都是普通的正物質，這些物質通常不會產生反物質。但是，旋轉的中子星可以拋出一些反物質，如正電子。所謂多餘的正電子，就是超出天文學家通過計算預言的來自於高能宇宙射線的正電子。如果我們觀測到多餘的正電子，這些正電子可能的來源有兩種，一種是旋轉的中子星，一種就是暗物質湮滅。

PAMELA衛星和費米伽瑪射線太空望遠鏡的結果讓物理學家激動了，不過，這兩個觀測都不夠精確，更不能分辨多餘的正電子是否來源於暗物質湮滅。

國際空間站上的阿爾法磁譜儀（右下標有AMS的裝置）。圖片來源：symmetrymagazine.org

阿爾法磁譜儀果然身手不凡

輪到阿爾法磁譜儀了。

4月初剛剛發布第一批科學結果的阿爾法磁譜儀，領導者是丁肇中，團隊成員大約有500人，來自於16個國家56個單位。我們前面說過，AMS- 02是第二代阿爾法磁譜儀，第一代設備是1998年安裝在發現號太空梭上的，而AMS-02是2011年5月安裝在國際空間站上的。

經過一年多的觀測，AMS-02一共收集了680萬個電子和正電子，能量譜很寬，從5億電子伏特到3500億電子伏特（這些都是高能粒子，我們知道，電子和正電子的質量只有50萬電子伏特，所以5億電子伏特的能量是電子質量的一千倍）。這些電子和正電子中有40萬個是正電子，這是迄今最大的正電子樣本，將過去所有實驗的樣本數目提高了100倍。

這500位物理學家發現，正電子數目與電子數目的比例隨著能量逐步提高，證實了PAMELA的結果（義大利人終於靠譜了一次！），在費米伽瑪射線太空望遠鏡結果的誤差範圍之內，也證實了費米望遠鏡的結果。

可以說，我們現在確切地知道，正電子真的超出了天文學家預計的結果，一定來自於我們過去不知道的東西。是脈衝星還是超新星，還是我們最期待的暗物 質？我們還要耐心地等待AMS緩慢地捕獲更高能量的正電子。也許，更高能量的正電子與電子之比會在一個能量處突然下降（比如說3500億電子伏，或4000億電子伏？），那時，我們也許就可以說，暗物質粒子，或者至少一種暗物質粒子的質量大約具有那個能量。

在AMS成果的鼓舞下，其他探測暗物質的實驗肯定在加快步伐。

如果說，我們這一代人，有可能在活著的時候親眼看見物理學家解開暗物質之謎，大概不會太離譜。

 

本文授權轉載自@李淼 在《北京日報》上發表的文章，略有改動。

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