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存暗物质参与 费米伽马射线探测器现正电子异常

http://www.kexue.com 2011-09-15 09:23:25 腾讯科学  发表评论


科学家绘制模拟图

影响地球

  据国外媒体报道,美国斯坦福大学直线加速器研究中心的科学家所领导的研究小组认为,寻找暗物质的踪迹,可以通过一个更“聪明”的办法,即利用地球本身作为一个“科学仪器”,再由位于轨道上的以美国宇航局为主要领导方的费米伽马射线空间望远镜进行观测。从2009年开始,科学家就发现了一个惊人的现象:宇宙射线中反物质粒子数量过剩,这可能就是一种暗物质所表现出的迹象特征。该项研究成果已经发表在《物理评论快报》期刊上,虽然并没有解决这些额外的正电子来自何处的问题,但是这个发现代表了一个对先前研究成果的确认,使得科学家将延长观测这些正电子异常的现象。

  在此之前,由俄罗斯与欧洲联合研制的PAMELA探测器在天体物理学上就掀起了一阵波澜。该探测器全称为“反物质-物质探测与轻核天体物理学探测平台”,主要研究方向为日地空间环境以及太阳系范围内宇宙空间的高能粒子,并发现了在地球外层空间中两层范艾伦辐射环之间存在着反物质粒子分布,这也使得科学家幻想着利用这些反物质来加速未来的宇宙飞船。但是,在该项研究中,科学家发现:宇宙中出现的额外正电子-电子反物质对,来自宇宙神秘的天体物理源,比如,脉冲星,或者一个更奇特的发射源。科学家也猜测其可能产生于暗物质粒子的湮灭。

  而这两个来源是一个有理论支持的观点,在脉冲星的强大的磁场中,可以认为是一种“磁场大漩涡”,结构上未知的复杂性,使得暗物质粒子在通过这些磁场的时候,受到强引力的作用,这些影响对暗物质粒子而言是巨大的,这个理论对之后的星系形成以及宇宙结构上的作用有着非常大的导向性。

  根据斯坦福直线加速器研究中心的理论物理学家和暗物质专家迈克尔佩斯金(Michael Peskin)认为:欧洲PAMELA暗物质探测器研究成果的确认对天体物理学而言,是非常重要的,不论它是否是暗物质,现在并不是每个人都能接受PAMELA暗物质探测器所得到的结果,并且甚至怀疑结果的真实性。由于美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜主要探测的对象是宇宙伽马射线,该射线是宇宙中已知的具有最高能量光子发射的射线,具有极强的穿透能力。

  因此,天体物理学家并不需要对探测到的信息进行太多的过滤处理,可以使用伽马射线探测器直接对正电子异常现场进行探测,并可以发现它们。对此,位于斯坦福大学的直线加速器研究中心以及卡夫林研究所的粒子天体物理学家和宇宙学家斯特凡(Stefan Funk)认为:费米伽马射线空间望远镜并不是一个完美的电子和正电子探测仪器,探测器所携带的大视场望远镜也不是设计来区分电子和正电子的,实际上,电子和正电子是非常难以区分的,这是因为该空间望远镜是处于地球上空340英里的轨道上,但是该空间望远镜取得的数据还是具有非常大的应用价值,斯特凡带领研究小组也分析了当前的结果。

  另一名来自美国科维理粒子天体物理学与宇宙学研究所的教授罗杰罗姆(Roger Romani)指出:美国宇航局的费米伽马射线探测器实际上并没有做出具体的发现,这是因为地球本身就具有磁场,我们所知道磁场的特性就是能影响电子的轨迹,当来自宇宙空间各个方向的电子和正电子接近地球磁场附近时,自然弯曲的地球磁场以及地球巨大的体积就会改变电子的运动方向,并确定这些电子未来的路径。

  由于地球磁场以及巨大体积的作用,这就等于告诉了伽马射线探测器,在地球周围的宇宙空间中,哪儿可以探测到电子或者正电子的存在。所以,我们利用地球磁场以及体积因素在其中的作用,我们就能选择出电子和正电子正确的运动轨迹。

  卡夫林研究所的粒子天体物理学家和宇宙学家斯特凡认为:在正电子异常分布的研究中,研究生沃里思(Warit Mitthumsiri)以及科维理粒子天体物理学与宇宙学研究所博士后研究员(Justin Vandenbroucke)所作的努力值得赞扬。地球本身就是一个“探测装置”,我们可以利用好这个特点。另外,美国宇航局伽马射线探测器的分析团队争取到更多的机会拓展自己的探测范围。对地球磁场进行分析,是一个非常有意义的过程,国际地球物理学家团队曾绘制出了地球磁场分布的详细结构图。

  此外,在之前对地球高层大气的研究中 ,使用的探空气球进行这项实验,但是探空气球的高度显然没有伽马射线空间望远镜的轨道来得高,所以也没有产生出非常大的研究成果。而使用了伽马射线空间望远镜,我们基本上可以覆盖整个地球,这就是我们为什么会使用美国宇航局的伽马射线探测器进行这项研究的一个原因。

  参与该项研究的研究生沃里特(Warit Mitthumsiri)希望正确看待伽马射线探测器的结果,并非是不正确的。有些研究人员认为:对于正电子的探测,我们以及Pamela探测器所探测到的正电子分布是在大量宇宙射线背景粒子的条件下,其中存在着较大的误差。正因为如此,我们需要用两个独立的技术减去背景值,这样就能和真实情况相符合。

  目前,争论的焦点在于,这些正电子异常分布的源头在哪儿,如果暗物质参与了这个过程,那么Pamela探测器和费米空间望远镜的研究团队发现的正电子就是一种暗物质的标志物,其被称为弱相互作用大质量粒子(WIMP)。该粒子是一种理论上预言的粒子,被认为与暗物质密切相关。在若干个实验室中,比如CAPRICE、AMS-01研究项目,科学家发现该正电子存在于其他粒子中,并具有超过7GeV的能量,或者十亿电子伏特。PAMELA探测器测量的结果显示其可达到100 GeV的能量,但是,现在通过伽马射线探测器发现正电子能量可达到200 GeV,这是有史以来探测到的最高能量值。

  由于当前理论的预言,多余的正电子能量将直接关系到弱相互作用大质量粒子(WIMP),这将表面,神秘的暗物质粒子应该具有某种特性,并且具有质量,这个消息对粒子物理学家而言,是个不错的消息。隶属于法国国家科学研究中心的安锡勒维厄(Annecy-le-Vieux)粒子物理实验室理论物理学家帕斯夸莱(Pasquale Serpico)认为:费米伽马射线探测器的结果,是一个非常强烈的暗物质信号,较PAMELA探测器而言,其结果具有很高的价值。

  美国费米国家加速器实验室的理论物理学家丹胡珀(Dan Hooper)表示:“我可能不太同意理论物理学家帕斯夸莱的观点,更倾向于暗物质并不是这些正电子异常现象的来源。目前,科学家对暗物质的解释已经变得非常混乱,而正电子的主要来源,最有可能是脉冲星。但是,与此同时,纽约大学和哈佛大学的研究人员正在试验在200GeV或者更高能量条件下,暗物质模型是否可以支持正电子的存在。在该模型中,正电子允许被赋予能量,可以高达数百GeV的能量,即使暗物质并不是这些正电子的源头,我们依然要考虑这种可能性。

  如果是暗物质导致了这些正电子异常的情况,那其中的问题将比脉冲星源头理论更深,更棘手。但是,现在还没有理论能区分这两个源头之间的关系,根据哈佛大学的研究人员芬克拜纳(Finkbeiner)估计:在将来还会发现具有更高能量的正电子行为,如果这个情况发生,那关于脉冲星是其来源的理论解释将变得岌岌可危,而且,这个过程中,还会发生一些有趣而意想不到的事儿。

  现在,理论物理学家正在等待费米伽马射线探测器最新的数据,他们希望能和理论上的预测达到一致,而费米伽马射线探测器的数据将是有一个非常强的说服力。费米国家加速器实验室的理论物理学家丹胡珀认为:这个发现最终将会是一个惊人的成就。(Everett/编译)

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