本刊資料室

1 暗物質存在的發(fā)現(xiàn)

1937年，天文學家弗·扎維奇（F.Zwick）發(fā)現(xiàn)，大型星系團中的星系的運動速度，遠遠超出星系團核心物質形成的結果，這表明除了人類已知的星系團核心物質對該星系的引力外，還存在其他物質的引力.這些物質觀察不到，故稱為暗物質.此后，天文學家通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所知道的物質只約占宇宙的4%，暗物質則占了宇宙的23%，還有73%是暗能量.

在現(xiàn)代宇宙學中，暗物質是指那些自身不發(fā)射電磁輻射，也不參與電磁相互作用的一種物質，是我們已知的粒子（如質子、電子、中子等）之外的全新粒子.

2 暗物質的探測

圖1 丁肇中

圖2 阿爾法磁譜儀

目前，物理學家看好的暗物質模型是所謂弱作用重粒子.因為這種粒子與普通物質有微弱的相互作用，可以通過其相互作用效應來進行探測.其中又分為間接探測法和直接探測法.前者，是探測暗物質相互碰撞產(chǎn)生的普通物質粒子信號，一般通過地面或太空望遠鏡探測；后者，則是用原子核與暗物質碰撞產(chǎn)生的信號進行探測.丁肇中（圖1）團隊所使用的阿爾法磁譜儀2號（AMS-02）（圖 2）是目前靈敏度最高，也是最復雜、最昂貴的一臺暗物質探測設備，代表了當今科學實驗的最高技術手段.

3 阿爾法磁譜儀項目的首批研究成果

諾貝爾獎得主、美籍華人物理學家丁肇中4月3日公布了其主持的阿爾法磁譜儀項目的首批研究成果，“阿爾法磁譜儀2”在從2011年5月至2012年12月的運轉期間，記錄了250億個宇宙射線事件，已發(fā)現(xiàn)超過40萬個正電子；實驗觀察到宇宙射線流中正電子存在的比率符合關于暗物質存在的理論預測，但目前尚沒有充分證據(jù)排除其他可能性：即這些正電子有可能來自人類一直尋找的暗物質，也可能來自銀河系的脈沖星等天體.報告顯示，在5億至100億電子伏特區(qū)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少；在100億到2500億電子伏特的區(qū)間內，比例遞增；到2500億電子伏特之后，比例曲線基本變平.正電子比例能譜沒有隨時間改變，同時高能正電子不是來自空間某個特定的方向.丁肇中指出：以上特征都支持正電子來源于暗物質，可是沒有完全的證據(jù).要確認正電子是由暗物質粒子碰撞、湮滅產(chǎn)生的，還需觀測到正電子比例上升到峰值后是否有驟降.如果觀察到驟降，說明來自暗物質對撞；如緩慢下降，則可能來自脈沖星.

4 揭開暗物質之謎的重大意義

暗物質的存在已經(jīng)被人們普遍接受.人們認為目前的宇宙結構是由于暗物質的作用而形成.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，揭開暗物質之謎將是繼相對論以及量子力學之后，人們認識自然規(guī)律的又一次重大飛躍.目前，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘已成為21世紀天文學和物理學發(fā)展的一個重要趨勢.世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關，開展這一重大交叉學科的研究.