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〖天涯聚焦部落头条〗【科学专栏】寻找暗物质!

楼主:算命风水取名字 时间:2015-12-18 16:43:45 点击:3510 回复:51
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  天涯文艺青年多,科学家少,但少不代表没有。部落里还没看见过科学帖,我来做个尝试,带大家来领略科学的神奇和奥妙。
  本文讲的是暗物质。暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一,世界上很多国家投入了巨大的人力、物力和财力来研究这一问题。美国国家研究委员会由19名权威物理学家和天文学家联合执笔的报告中,列出了新世纪要解答的11个核心科学问题,其中“什么是暗物质”被列在首位
  先来看个时事新闻,我们也是关心时事的好孩子。[酒泉12月17日电] 今天8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺利进入预定转移轨道。不久后,这位名为“悟空”暗物质猎手将张开“火眼金睛”,寻找暗物质粒子存在的证据。这是中国科学界的重大尝试。
  
  看完新闻,可能很多朋友觉得很平常,中国不是经常发射卫星吗?这有什么值得大惊小怪的?哎,这次还真不一样。怎么不一样啦?下面小牛博士来为大家科普:什么是暗物质?为什么要寻找暗物质?
  
  
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楼主算命风水取名字 时间:2015-12-18 16:48:33
  
  【“Monky King”为什么叫“悟空”?】
  “悟空”是中国古典名著《西游记》中齐天大圣美猴王的名字,“悟”有领悟的意思,“悟空”有领悟、探索“空”之意;另一方面,“悟空”的火眼金睛,犹如暗物质粒子探测卫星的探测器,可以在茫茫太空中,识别暗物质的踪影。同时这也符合国际上将科学卫星以神话形象命名的做法,例如美国的阿波罗、欧洲的尤利西斯、中国的玉兔等。这样做可以借助传统文化,提升我国公众科学素养,吸引青少年热爱科学、探索未知世界。
  【“悟空”号的优势和意义】
  昨日,中国发射了一枚暗物质粒子探测卫星(英文:Dark Matter Particle Explorer,缩写:DAMPE),它是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器。“悟空”通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。它承载着全球科学家,特别是物理学科学家的厚望。
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-18 17:14:10
  有了以上趣味通俗的图文科普打基础,往下讲就容易一些了。下面我们回顾一下有关暗物质的科学探索,举两个例子,从中我们可以看到科学的质疑、思辨和百折不挠的精神(这个在国内的课堂很少涉及,国内的课堂主要还是填鸭式地灌输知识,很少涉及质疑习惯和科学精神的培养)。
  1. 第一个要讲的是ATIC实验,发表在2008年的世界最高学术刊物之一的Nature上(Nature456, 362-365),第一作者是中国科学家,他们声称发现了宇宙线中正负电子总流强在几百GeV处有个尖锐的超出预期强度的峰值:
  
  
  这结果很容易让人联想到暗物质湮灭产生正负电子,这个“联想”得到了很多人的赞同,但是很显然,问题还没讲清楚,数据也不够精确,因此有很多科学家质疑。到了2009年,美国康奈尔大学Fermi-LAT实验给出了更高统计量的结果(Phys.Rev.Lett.,102,181101)。
  
  原文摘要:Designed as a high-sensitivity gamma-ray observatory, the Fermi Large Area Telescope is also an electron detector with a large acceptance exceeding 2m^2 sr at 300 GeV. Building on the gamma-ray analysis, we have developed an efficient electron detection strategy which provides sufficient background rejection for measurement of the steeply-falling electron spectrum up to 1 TeV. Our high precision data show that the electron spectrum falls with energy as E^(-3.0) and does not exhibit prominent spectral features. Interpretations in terms of a conventional diffusive model as well as a potential local extra component are briefly discussed.
  文章中有三幅图(见上面的小图),其中第三幅图的结果是这个样子(红点是Fermi-LAT结果):
  
  这数据一出,ATIC瞬间就被大家集体无视了。这个例子也告诉我们:就算是发表在最权威科学刊物(Nature)上的文章也可能是错的。我们,要学会质疑。

  2. 另外一个典型例子是DAMA/LIBRA实验,这个和我们的“悟空”计划相关。DAMA/LIBRA是一个暗物质直接探测实验,探测方法是观察银河系中的暗物质粒子与探测器(掺铊的NaI晶体)中的原子核的散射造成的原子核反冲,原子核的反冲能量一般在keV量级。结果,他们观测到了2-4 keV区域的的信号与背景之和(他们无法区分信号与背景)以一年为周期振荡,比如2010年的结果(Eur.Phys.J. C67 (2010) 39-49):
  
  原文摘要:A variety of detectors has been proposed for dark matter direct detection, but most of them -- by the fact -- are still at R&D stage. In many cases, it is claimed that the lack of an adequate detectors' radio-purity might be compensated through heavy uses of MonteCarlo simulations, subtractions and handlings of the measured counting rates, in order to claim higher sensitivity (just for a particular scenario). The relevance of a correct evaluation of systematic effects in the use of MonteCarlo simulations at very low energy (which has always been safely discouraged in the field so far) and of multiple subtractions and handling procedures applied to the measured counting rate is shortly addressed here at some extent. Many other aspects would also deserve suitably deep investigations.
  
  他们觉得除了暗物质以外不会有什么这个能量范围的背景会以年为周期振荡的了(暗物质信号会振荡是因为地球在暗物质中公转,造成探测器感受到的暗物质流强以年为周期变化),所以他们认为自己观测到了暗物质。值得一提的是这个实验的数据量足够大,“存在以年为周期的振荡”这个结论在2010年就有8个多sigma的置信度了,以后还在一直增长。不过假如暗物质会与原子核散射,那其他暗物质直接探测实验显然也应该能有相应的结果。但是别的暗物质直接探测实验要么没看到暗物质信号,要么疑似看到了信号但跟DAMA的结果不一致。比如当时块头最大的Xenon100实验就表示他们什么都没看到(Phys.Rev.Lett.,107,131302):
  
  原文摘要:We present results from the direct search for dark matter with the XENON100 detector, installed underground at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso of INFN, Italy. XENON100 is a two-phase time-projection chamber with a 62 kg liquid xenon target. Interaction vertex reconstruction in three dimensions with millimeter precision allows the selection of only the innermost 48 kg as the ultralow background fiducial target. In 100.9 live days of data, acquired between January and June 2010, no evidence for dark matter is found. Three candidate events were observed in the signal region with an expected background of (1.8±0.6) events. This leads to the most stringent limit on dark matter interactions today, excluding spin-independent elastic weakly interacting massive particle (WIMP) nucleon scattering cross sections above 7.0×10−45  cm2 for a WIMP mass of 50  GeV/c2 at 90% confidence level.
  
  上图的排除线直接把DAMA/LIBRA声称探测到的暗物质质量和散射截面容许范围远远地排除在外。结果表明,前面的探索依然是错误的。
  可见,科学的探索是多么的艰难!科学充满了失败,而我们从未放弃。这个“我们”也包括中国,“悟空”计划就是中国科学家走出的勇敢的一步,这一步依然可能失败——这太正常不过了;但一旦成功,新世纪人类需要解答的首要科学问题就有可能破解。
  梦想是一定要有的,万一实现了呢?
  
1条评论   点击查看  我要评论
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-18 17:37:19
  前文讲了科学研究历程和对于“暗物质”的基本概念的简单科普性解释。那么到底什么是暗物质呢?科学上有没有正式的专业的定义呢?引用书上的说法,这个说法其实也不正确,但可做参考(先粘贴过来,下次有时间再翻译,会英文的自己就可以看了):
  Dark matter is a hypothetical kind of matter that cannot be seen with telescopes but accounts for most of the matter in the universe. The existence and properties of dark matter are inferred from its gravitational effects on visible matter, on radiation, and on the large-scale structure of the universe. Dark matter has not been detected directly, making it one of the greatest mysteries in modern astrophysics.

  Dark matter neither emits nor absorbs light or any other electromagnetic radiation at any significant level. According to the Planck mission team, and based on the standard model of cosmology, the total mass–energy of the known universe contains 4.9% ordinary (baryonic) matter, 26.8% dark matter and 68.3% dark energy. Thus, dark matter is estimated to constitute 84.5%[note 1] of the total matter in the universe, while dark energy plus dark matter constitute 95.1% of the total mass–energy content of the universe.

  Astrophysicists hypothesized the existence of dark matter to account for discrepancies between the mass of large astronomical objects determined from their gravitational effects, and their mass as calculated from the observable matter (stars, gas, and dust) that they can be seen to contain. Their gravitational effects suggest that their masses are much greater than the observable matter survey suggests.

  Dark matter was postulated by Jan Oort in 1932, albeit based upon insufficient evidence, to account for the orbital velocities of stars in the Milky Way. In 1933, Fritz Zwicky was the first to use the virial theorem to infer the existence of unseen matter, which he referred to as dunkle Materie 'dark matter'. More robust evidence from galaxy rotation curves was discovered by Horace W. Babcock in 1939, but was not attributed to dark matter. The first hypothesis to postulate "dark matter" based upon robust evidence was formulated by Vera Rubin and Kent Ford in the 1960s–1970s, using galaxy rotation curves. Subsequently, many other observations have indicated the presence of dark matter in the universe, including gravitational lensing of background objects by galaxy clusters such as the Bullet Cluster, the temperature distribution of hot gas in galaxies and clusters of galaxies and, more recently, the pattern of anisotropies in the cosmic microwave background. According to consensus among cosmologists, dark matter is composed primarily of a not yet characterized type of subatomic particle.The search for this particle, by a variety of means, is one of the major efforts in particle physics today.

  Although the existence of dark matter is generally accepted by the mainstream scientific community, some alternative theories of gravity have been proposed, such as MOND and TeVeS, which try to account for the anomalous observations without requiring additional matter. However, these theories cannot account for the properties of galaxy clusters.

  参考文献:
  "Planck captures portrait of the young Universe, revealing earliest light". University of Cambridge. 21 March 2013. Retrieved 21 March 2013.
  Copi, C. J.; Schramm, D. N.; Turner, M. S. (1995). "Big-Bang Nucleosynthesis and the Baryon Density of the Universe". Science 267 (5195): 192–199. arXiv:astro-ph/9407006. doi:10.1126/science.7809624. PMID 7809624.
  Ferris, Timothy. "Dark Matter". Retrieved 2015-06-10.

  以上看不懂的也没关系。为什么?因为还没有科学家搞清楚到底什么是“暗物质”,不然,要“悟空”去干什么?
  
  读者:楼主,你TM是在逗我么?让我看这么久的英文?
  楼主:哈哈,看得懂,说明你的英文还没有忘记哦:)看了楼主的科普,有小朋友愿意将来去探索“暗物质”,为人类做贡献咩?
作者 :影乱 时间:2015-12-18 17:37:34
  赞~~~~要是楼主在偶高中时代教偶物理课。。。。。偶物理就有救了~~!!
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-18 17:52:39
  
  “悟空”号(“Monky King”,猴王)升空,上了全球最顶级科学学术刊物Nature的首页!中国科学家的大胆探索行为震动了世界。这是中国的骄傲!
作者 :贾庄当真 时间:2015-12-21 09:49:15
  @算命风水取名字 推荐
作者 :锦瑟流年倾城 时间:2015-12-21 14:42:04
  @算命风水取名字 :本土豪赏1个(100赏金)聊表敬意,恭喜牛B哥部落首页!
    楼主这么赞,更新这么勤快,打赏一下楼主以示鼓励吧!【我也要打赏
作者 :xingzhaobin1204 时间:2015-12-21 20:05:53
  顶,楼主继续科普
作者 :奔跑吧5L 时间:2015-12-22 10:54:40
  lz请继续啊,放这么多英文。。。中文的专业词汇都未必懂
作者 :狩猎狐者 时间:2015-12-22 11:14:58
  建议增加文字说明。不用担心看不懂。
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-22 13:39:23
  继续科普。通过理论分析,有可能找到暗物质的方法可能有三种,分别是:(1)散射实验;(2)湮灭实验以及(3)产生实验。

  (1)散射实验。这个是基于暗物质能与普通物质产生互相作用的假设下可以做的实验。我简单描述一下,例如我们可以设置一个静止的靶,如果有暗物质打进来,带电原子核就会飞出去,这样我们就能捕获其相互作用的信号。目前全世界有很多国家开展了这样的科研项目,值得一提的是,位于中国四川锦屏的地下实验室是目前世界上最深的暗物质实验室。但遗憾的是,到目前为止,包括欧洲的DAMA(前文有提及),美国的LUS和中国的四川锦屏地下暗物质实验室在内,全球没有一家实验室宣布在地球上找到了暗物质。这有可能预示着:暗物质可以与普通物质产生互相作用的这个假设可能就是错误的(认同这个假设的科学家占大多数)。只要这些实验室找到了一次这样的证据,就足以说明暗物质的存在,因此,全球大部分国家都没有放弃散射实验。
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-22 13:40:13
  (2)湮灭实验。
  正因为散射实验太难捕捉,于是科学家们想出了第二种方法,观测暗物质衰变或湮灭后产生的可见粒子。这种方法也同样基于一个假设:暗物质自身会湮灭从而产生可见物质。大部分科学家认为,世界上的物质都有反物质。当一个正物质遇到一个反物质的时候,两者都会湮灭(就是消失),并在这过程中激发出巨大的能量。
  但是暗物质与反物质不同,暗物质的反物质就是其本身。如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,那么所产生的能量将更巨大。
  先给个话题,活跃一下气氛。未完待续。
作者 :好彩运 时间:2015-12-23 10:33:19
  瞧瞧尼
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-23 13:13:59
  (2)湮灭实验(续)
  继续讲湮灭实验。前文说了理论分析认为暗物质例子碰撞后会产生的释放高能量,那么我们就可以通过探测这个高于正常值的的搞能量来间接证明关于暗物质湮灭的理论,从而间接证明暗物质的存在。根据大爆炸理论的预测,宇宙太空中应该有暗物质例子,于是诺贝尔奖得主丁肇中团队研制了阿尔法磁谱仪2号并放置在国际空间站上,上个月日本也发射了一颗装有量能器电子望远镜的卫星,本月中国也紧随其后,发射了“悟空”号,这些都是想在外太空测量湮灭实验的能量值。
  从已有的科学探索看,宇宙中应该有暗物质。例如1933年,美国加州理工学院的科学家弗里茨·兹威基发现了星系之间相互绕转的轨道有巨大的异常。他认为星系团中应该充满了某种“暗物质”,它们的引力足够强,才可以把这些星系团束缚在一起。本世纪初,科学家们又在Abell 2218星系团中观测到了引力透镜效应,如果有“暗物质”的存在,那么对更遥远星系产生的引力透镜效应就可以自圆其说。但这些并不是直接证据,科学家们迫切希望找到更直接一些的证据,于是就有了美国的阿尔法磁谱仪2号,日本的量能器电子望远镜和本文科普的“悟空”项目。
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-23 13:14:45
  (3)产生实验。
  这个实验是基于可见物质相互作用能够产生暗物质的假设。因此有科学家设想,如果我们用大型质子对撞机发射两束高能粒子对撞,是否能产生暗物质粒子?这就是“产生实验”。但这个产生与否是有各种条件的,应该要满足什么样的条件,以及可见物质相互作用能够产生暗物质的假设是否正确都有待验证。欧洲核子中心一直在做这个验,但至少在目前来看,他们还没有发现这方面的数据。或许,我们还需要等待?
楼主算命风水取名字 时间:2015-12-23 13:15:32
  为什么是3种实验,而不是4种?5种?我们来梳理一下这三个实验,这其实是一种排列组合的结果:
  (1)散射实验。假设:暗物质能与普通可见物质产生互相作用。暗物质和可见物质物相作用。
  (2)湮灭实验。假设:暗物质自身会湮灭从而产生可见物质。暗物质产生可见物质。
  (3)产生实验。假设:可见物质相互作用能够产生暗物质。可见物质产生暗物质。
  目前为止,科学家们能想出来的方法就是以上三种。当然,这些都只是猜测,都没有被证实。
作者 :劫后余生啊 时间:2015-12-23 15:44:14
  我欧巴bra哦哦哦得得的啊吃亏了?墨镜的人,的人,的人,的人吗你 3"
作者 :平平湛 时间:2016-04-18 16:57:34
  厉害!
作者 :喵一眼就走 时间:2016-04-18 17:28:25
  这就了?
作者 :喵一眼就走 时间:2016-04-18 17:37:35
  完了?
楼主算命风水取名字 时间:2016-04-19 12:09:40
  梦想是一定要有的,万一实现了呢?
作者 :cookren 时间:2016-04-19 12:26:58
  mark

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