暗物质及实验简介
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
velocity dispersion σ, is the range of velocities about the mean velocity for a group of objects, such as a cluster of stars about a galaxy. For example, in a galaxy, a typical value for the velocity dispersion of the objects orbiting the galactic centre is about 200km/s. By measuring the radial velocities of selected members, the velocity dispersion of the cluster can be estimated and used to derive the cluster's mass from the virial theorem. Too large to be explained by galaxies alone.
胡鑫洄sxhuxinhui163com南开大学?天津201112目录第一节暗物质简介暗物质的候选者第二节暗物质探测方法直接探测实验的近期结果第一节暗物质简介前言19导致了物理学的革命相对论和量子力学诞生世纪末物理学天空的两朵乌云以太漂移和黑体辐射而这成为现代物理的基础
第一部分 暗物质探测
作者：胡鑫洄 sxhuxinhui@ 南开大学•天津
前言
现代物理的最前沿集中在两个方向，一是研究尺度越 来越小，能量越来越高的粒子物理方向。一是研究尺度 越来越大的宇宙学和天体物理学方向。 这看似两个完全相反的方向，却都共同关注同一个问 题就是暗物质。这是非常神秘并让人振奋的，也许暗物 物质正是人类打开理解宇宙大门的一把钥匙，也许，更 深刻，更基本的物理理论将会诞生？ 正是由于这些原因，暗物质，暗能 量成为当今物理最具吸引力的研究 课题。
前言
前言
Discover杂志在2002年的物理版面 中列出了当今物理界最重要的11个 难题：
1. What is dark matter? 2. What is dark energy? 3. How were the heavy elements from iron to uranium made? 4. do ultra-energy particles come from? 6. Is a new theory of light and matter needed to explain what happens at very high energies and temperatures? 7. Are there new states of matter at ultrahigh temperatures and densities? 8. Are protons unstable? 9. What is gravity? 10. Are there additional dimensions? 11. How did the Universe begin?
暗物质的存在证据
猎户座Abell520星系团综合图像
鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团综图案
暗物质是什么？
证明暗物质存在的证据还有许多，如：宇宙大尺度结构的 观测，微波背景辐射等。通过种种“奇特”的现象人类已经 确切的感受到了暗物质的存在，但是却还不知道暗物质究竟 为何物，不过根据已经观测到的现象在理论上已经猜想出了 很多很多的模型。而这些模型也正在接受越来越精确的实验 的检验，最后留下的模型将会解开暗物质甚至是暗能量的神 秘面纱。 下面我们简单了解一下暗物质的发展历程？ 从最初观测到的现象来猜测，人们首先想到的暗物质可 能的模型就是不发光的普通物质(重子物质)，如气体、行星、 冷却的白矮星、中子星、黑洞等。但是经过多方面的研究， 发现即使他们是暗物质只能占暗物质的一小部分，而不足以 构成暗物质的主要成分。所以人们便从已经熟悉的标准模型 中寻找可能的暗物质。
暗物质的存在证据
3. gravitational lensing
引力透镜示意图：在引力透镜的作用下， 远方天体像的亮度分布会发生各种变化， 或增强，或畸变，或形成环(爱因斯坦环)， 或放大。
暗物质的存在证据
产生引力透镜效应的前臵天体可能是拥有巨型黑 洞的星系、星系团，也可能是非重子暗物质。暗物质 不发出任何辐射，不能被直接观测到，但通过引力透 镜效应能分析出它们的空间分布。于是引力透镜效应 成为发现宇宙暗物质的探针。 2007 年 5 月 15 日, 哈勃望远镜公布了星系团 CL0024+ 17拥有暗物质环的图像, 环径达 260 万光年 (下页左图)。星系团CL0024+ 17 位于双鱼座，距离地 球约50亿光年。图中的暗物质环是根据它产生的引力 透镜效应照片分析、 描绘出来的。照片由哈勃望远镜 于2004年11月拍摄, 使用6 种不同波长的滤光片, 曝光14 小时。照片中显示许多条蓝色弧段, 那是被引力透镜效 应畸变了的一些更遥远的星系(下页右图)。
暗物质的存在证据
暗物质的存在证据
4.Bullet Cluster 2006年8月21日哈勃和钱德拉空间望远镜公布了星系团 1E0657-56子弹星系团的综合图像(下图左)。该星系团位于船 底座，距离地球34亿光年。右图是对应的X射线图，图中显示 子弹星系团的两个子星系团在垂直与视线的方向上刚刚发生过 一场高速碰撞，碰撞产生的激波波前清晰可见(亮三角形)。
暗物质是什么？
暗物质候选者： 如前所述，暗物质粒子不可能是标准模型中已知的粒子，因此它的存在要求 新的物理。目前已有一些结合粒子物理的模型，如超对称暗物质。超对称是 不同自旋粒子间的对称性，如果这一对称性存在，则每个已知粒子都有超对 称伙伴粒子。标准模型粒子和他们的超对称伙伴粒子具有不同的R-宇称，因 此不能相互转化，具有最小质量的超对称粒子将可以稳定存在，如果这个粒 子是中性的，就可以作为暗物质粒子候选者。 目前已知这样的粒子，可以是Higgs bose子的超对称伙伴，也可以是光子 或Z-规范bose子的伙伴，或者是上述粒子的量子力学叠加态，这就是所谓的 中性超对称粒子(neutralino)。Neutralino作为暗物质有以下的一些性质，它只 参与弱作用和引力作用。退耦时为非相对论运动，符合冷暗物质的特点，由 于它与普通物质只发生弱相互作用故也被称为弱作用重粒子(Weakly Interactiong Massive Particle,WIMP)。 另一种讨论甚多的暗物质候选者是轴子(axion)，这是一种为了解决强相互 作用CP守恒问题提出的粒子，它的质量小于10-2eV，但是由于产生机制的原 因(非热产生)，仍属于冷暗物质。 此外，还有一些其它的暗物质粒子候选者，如超对称理论中的gravition和 sneutrino，轴子的超对称粒子axino，高维空间紧缩化的Kalua-Klin粒子，Qball， crypto, mirrow dark matter等等。
暗物质的存在证据
上页图中红色的部分代表钱德拉卫星“看到”的碰撞产生的高温气体也 即重子物质的分布，绿色的轮廓线是根据弱引力透镜观测给出的反应引力场 空间分布的曲线，即引力等势能面。绿线中心的三条白色环线反应了引力势 能峰值位臵的误差，三条白线对应的位臵误差分别为68.3%，95.5%，99.7%。 这三条白线反应了两个子星系团主要的质量分布，而这一部分质量是无法直 接观察到的，是暗物质所在。正如下图右中蓝色区域所示。 这些图像显示，在星系团碰撞的过程中普通 (重子)物质和暗(非重子)物质 都对称的分离了，而暗物质比普通物质分离得更远一些。原因是重子物质之 间有相互作用力，起到阻滞作用，而非重子物质之间没有。 之后的07年08年哈勃和钱德拉望远镜又公布了两张类似的照片，猎户座 Abell 520星系团，鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团，这些都是暗物质存在 的直接证据
暗物质的存在证据
1933年，在加利福尼 亚技术研究所工作的瑞士 籍天文学家Fritz Zwicky 第一次提供了存在暗物质 的证据。 他发现星系团中星系 团中星系的随机运动速度 相当快。根据位力定理， 随机运动的动能应等于势能的一半，这说明星系团的引力势能相 当强，但是根据观测到的其中星系的亮度推测星系团的质量，引 力势能似乎不应该这么高，这说明星系团中存在着大量未被观测 到的物质[1]，Fritz Zwicky首次称这些神秘物质为“暗物质”。
Rotation curve of a typical spiral galaxy: predicted (A) and observed (B). Dark matter can explain the velocity curve having a 'flat' appearance out to a large radius
暗物质是什么？
标准模型中那些可能是暗物质呢？
• The standard model (SM)
– Particles:
• • • • • • • Quarks: u,d,c,s,t,b (charged) Leptons: electron (charged, stable ), muon, tau (charged, unstable) neutrino (neutral, stable) Gauges bosons: W, Z0 (neutral, unstable), gamma (neutral, massless) (Higgs boson): H0 (neutral, unstable )
暗物质的存在证据
在随后的时间里，从天文观测等方面陆续发现一些 证据，证明暗物质的存在。下面列出几处证明暗物质 存在的证据。
1.Galactic rotation curves 1970年前后，人们获得了银河 系和一些临近星系的旋转曲线(即距 离星系中心不同距离处恒星或气体 绕星系中心旋转的速度)。在距离星 系中心较远处，星系的吸引力应该 逐渐减弱，因此旋转速度应该下降。 但实际观测到的星系盘的边缘仍是 平的，也有一些星系下降，但比理
– Interactions: r…?
weak interaction or other weake
暗物质是什么？
由于中微子的中性、稳定等性质被人们称为热暗物质。不过用中微子解 释天文学的现象时还是出现不可调和的矛盾，因为中微子可以自由移动，自 由程大，星系尺度以下的原初扰动将被抹平，这样导致宇宙中最先形成的应 该是星系团，然后星系团再进一步分裂为星系。但是实际的观测表明星系很 早形成，而星系团形成较晚，排除了中微子这种热暗物质构成天体的可能性。 为了解释星系的形成，20世纪80年代，以暗物质的存在和宇宙早期的暴 涨为基础假设，建立了标准冷暗物质模型(SCDM)，这一模型可以定量的解释 大尺度结构和星系的形成过程，但是还不能确定宇宙中暗物质到底有多少。 同时该模型还有其他一些问题，例如，实际观测某些星系团的年龄达120亿年， 而如果Hubble常数为70km/s/Mpc，则SCDM模型的宇宙年龄仅93亿年，存在 着矛盾。为解决这些问题，一些科学家提出了带宇宙学常数的冷暗物质模型 (ΛCDM)，宇宙学常数与一般的物质或者辐射性质不同，被称为一种暗能量。 ΛCDM的突出特点是，认为宇宙的膨胀最终将加速。 出乎意料的是，1998年，两个观测1a型超新星的小组发现，宇宙的确在 加速膨胀。至此，暗物质和暗能量的存在被普遍接受。Saul Perlmutter,Brian P. Schmidt,Adam G. Riess这三位科学家由于在发现宇宙加速膨胀中的贡献 获得了2011年物诺贝尔理学奖。
暗物质的存在证据
论预期下降的要缓慢，这证明在星系盘外仍存在着 大量未被观测到的物质，即暗物质。另外对于许多观 测到的其他星系盘，必须假定盘周围有球型分布的质 量很大的暗物质(暗物质晕)，才能解释这些星系在动力 学上的稳定性[1]。 2.Velocity dispersions of galaxies(速度弥散度)
2011.12
目录
第一节 暗物质简介
前言 暗物质的存在证据 暗物质是什么？
1. 2.
第二节 暗物质探测方法 各方法简介 暗物质直接探测 1. 直接探测的基本原理 2. 直接探测技术 直接探测实验的近期结果
暗物质的发展历程 暗物质的候选者
第一节 暗物质简介
前言 19，导致了物理学的革命，相对论和量子力学 诞生世纪末物理学天空的两朵乌云，以太漂移和 黑体辐射，而这成为现代物理的基础。如今，粒 子物理的标准模型可以相当好的解释所有已知的 基本粒子的性质，也为凝聚态物理、光学、量子 光学等理论奠定了坚实的基础。 然而在20世纪末，人们发现，物理学的天空中， 又漂着两朵新的乌云，这就是暗物质和暗能量。
胡鑫洄sxhuxinhui163com南开大学?天津201112目录第一节暗物质简介暗物质的候选者第二节暗物质探测方法直接探测实验的近期结果第一节暗物质简介前言19导致了物理学的革命相对论和量子力学诞生世纪末物理学天空的两朵乌云以太漂移和黑体辐射而这成为现代物理的基础
第一部分 暗物质探测
作者：胡鑫洄 sxhuxinhui@ 南开大学•天津
前言
现代物理的最前沿集中在两个方向，一是研究尺度越 来越小，能量越来越高的粒子物理方向。一是研究尺度 越来越大的宇宙学和天体物理学方向。 这看似两个完全相反的方向，却都共同关注同一个问 题就是暗物质。这是非常神秘并让人振奋的，也许暗物 物质正是人类打开理解宇宙大门的一把钥匙，也许，更 深刻，更基本的物理理论将会诞生？ 正是由于这些原因，暗物质，暗能 量成为当今物理最具吸引力的研究 课题。
前言
前言
Discover杂志在2002年的物理版面 中列出了当今物理界最重要的11个 难题：
1. What is dark matter? 2. What is dark energy? 3. How were the heavy elements from iron to uranium made? 4. do ultra-energy particles come from? 6. Is a new theory of light and matter needed to explain what happens at very high energies and temperatures? 7. Are there new states of matter at ultrahigh temperatures and densities? 8. Are protons unstable? 9. What is gravity? 10. Are there additional dimensions? 11. How did the Universe begin?
暗物质的存在证据
猎户座Abell520星系团综合图像
鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团综图案
暗物质是什么？
证明暗物质存在的证据还有许多，如：宇宙大尺度结构的 观测，微波背景辐射等。通过种种“奇特”的现象人类已经 确切的感受到了暗物质的存在，但是却还不知道暗物质究竟 为何物，不过根据已经观测到的现象在理论上已经猜想出了 很多很多的模型。而这些模型也正在接受越来越精确的实验 的检验，最后留下的模型将会解开暗物质甚至是暗能量的神 秘面纱。 下面我们简单了解一下暗物质的发展历程？ 从最初观测到的现象来猜测，人们首先想到的暗物质可 能的模型就是不发光的普通物质(重子物质)，如气体、行星、 冷却的白矮星、中子星、黑洞等。但是经过多方面的研究， 发现即使他们是暗物质只能占暗物质的一小部分，而不足以 构成暗物质的主要成分。所以人们便从已经熟悉的标准模型 中寻找可能的暗物质。
暗物质的存在证据
3. gravitational lensing
引力透镜示意图：在引力透镜的作用下， 远方天体像的亮度分布会发生各种变化， 或增强，或畸变，或形成环(爱因斯坦环)， 或放大。
暗物质的存在证据
产生引力透镜效应的前臵天体可能是拥有巨型黑 洞的星系、星系团，也可能是非重子暗物质。暗物质 不发出任何辐射，不能被直接观测到，但通过引力透 镜效应能分析出它们的空间分布。于是引力透镜效应 成为发现宇宙暗物质的探针。 2007 年 5 月 15 日, 哈勃望远镜公布了星系团 CL0024+ 17拥有暗物质环的图像, 环径达 260 万光年 (下页左图)。星系团CL0024+ 17 位于双鱼座，距离地 球约50亿光年。图中的暗物质环是根据它产生的引力 透镜效应照片分析、 描绘出来的。照片由哈勃望远镜 于2004年11月拍摄, 使用6 种不同波长的滤光片, 曝光14 小时。照片中显示许多条蓝色弧段, 那是被引力透镜效 应畸变了的一些更遥远的星系(下页右图)。
暗物质的存在证据
暗物质的存在证据
4.Bullet Cluster 2006年8月21日哈勃和钱德拉空间望远镜公布了星系团 1E0657-56子弹星系团的综合图像(下图左)。该星系团位于船 底座，距离地球34亿光年。右图是对应的X射线图，图中显示 子弹星系团的两个子星系团在垂直与视线的方向上刚刚发生过 一场高速碰撞，碰撞产生的激波波前清晰可见(亮三角形)。
暗物质是什么？
暗物质候选者： 如前所述，暗物质粒子不可能是标准模型中已知的粒子，因此它的存在要求 新的物理。目前已有一些结合粒子物理的模型，如超对称暗物质。超对称是 不同自旋粒子间的对称性，如果这一对称性存在，则每个已知粒子都有超对 称伙伴粒子。标准模型粒子和他们的超对称伙伴粒子具有不同的R-宇称，因 此不能相互转化，具有最小质量的超对称粒子将可以稳定存在，如果这个粒 子是中性的，就可以作为暗物质粒子候选者。 目前已知这样的粒子，可以是Higgs bose子的超对称伙伴，也可以是光子 或Z-规范bose子的伙伴，或者是上述粒子的量子力学叠加态，这就是所谓的 中性超对称粒子(neutralino)。Neutralino作为暗物质有以下的一些性质，它只 参与弱作用和引力作用。退耦时为非相对论运动，符合冷暗物质的特点，由 于它与普通物质只发生弱相互作用故也被称为弱作用重粒子(Weakly Interactiong Massive Particle,WIMP)。 另一种讨论甚多的暗物质候选者是轴子(axion)，这是一种为了解决强相互 作用CP守恒问题提出的粒子，它的质量小于10-2eV，但是由于产生机制的原 因(非热产生)，仍属于冷暗物质。 此外，还有一些其它的暗物质粒子候选者，如超对称理论中的gravition和 sneutrino，轴子的超对称粒子axino，高维空间紧缩化的Kalua-Klin粒子，Qball， crypto, mirrow dark matter等等。
暗物质的存在证据
上页图中红色的部分代表钱德拉卫星“看到”的碰撞产生的高温气体也 即重子物质的分布，绿色的轮廓线是根据弱引力透镜观测给出的反应引力场 空间分布的曲线，即引力等势能面。绿线中心的三条白色环线反应了引力势 能峰值位臵的误差，三条白线对应的位臵误差分别为68.3%，95.5%，99.7%。 这三条白线反应了两个子星系团主要的质量分布，而这一部分质量是无法直 接观察到的，是暗物质所在。正如下图右中蓝色区域所示。 这些图像显示，在星系团碰撞的过程中普通 (重子)物质和暗(非重子)物质 都对称的分离了，而暗物质比普通物质分离得更远一些。原因是重子物质之 间有相互作用力，起到阻滞作用，而非重子物质之间没有。 之后的07年08年哈勃和钱德拉望远镜又公布了两张类似的照片，猎户座 Abell 520星系团，鲸鱼座MACSJ0025.4-1222星系团，这些都是暗物质存在 的直接证据
暗物质的存在证据
1933年，在加利福尼 亚技术研究所工作的瑞士 籍天文学家Fritz Zwicky 第一次提供了存在暗物质 的证据。 他发现星系团中星系 团中星系的随机运动速度 相当快。根据位力定理， 随机运动的动能应等于势能的一半，这说明星系团的引力势能相 当强，但是根据观测到的其中星系的亮度推测星系团的质量，引 力势能似乎不应该这么高，这说明星系团中存在着大量未被观测 到的物质[1]，Fritz Zwicky首次称这些神秘物质为“暗物质”。
Rotation curve of a typical spiral galaxy: predicted (A) and observed (B). Dark matter can explain the velocity curve having a 'flat' appearance out to a large radius
暗物质是什么？
标准模型中那些可能是暗物质呢？
• The standard model (SM)
– Particles:
• • • • • • • Quarks: u,d,c,s,t,b (charged) Leptons: electron (charged, stable ), muon, tau (charged, unstable) neutrino (neutral, stable) Gauges bosons: W, Z0 (neutral, unstable), gamma (neutral, massless) (Higgs boson): H0 (neutral, unstable )
暗物质的存在证据
在随后的时间里，从天文观测等方面陆续发现一些 证据，证明暗物质的存在。下面列出几处证明暗物质 存在的证据。
1.Galactic rotation curves 1970年前后，人们获得了银河 系和一些临近星系的旋转曲线(即距 离星系中心不同距离处恒星或气体 绕星系中心旋转的速度)。在距离星 系中心较远处，星系的吸引力应该 逐渐减弱，因此旋转速度应该下降。 但实际观测到的星系盘的边缘仍是 平的，也有一些星系下降，但比理
– Interactions: r…?
weak interaction or other weake
暗物质是什么？
由于中微子的中性、稳定等性质被人们称为热暗物质。不过用中微子解 释天文学的现象时还是出现不可调和的矛盾，因为中微子可以自由移动，自 由程大，星系尺度以下的原初扰动将被抹平，这样导致宇宙中最先形成的应 该是星系团，然后星系团再进一步分裂为星系。但是实际的观测表明星系很 早形成，而星系团形成较晚，排除了中微子这种热暗物质构成天体的可能性。 为了解释星系的形成，20世纪80年代，以暗物质的存在和宇宙早期的暴 涨为基础假设，建立了标准冷暗物质模型(SCDM)，这一模型可以定量的解释 大尺度结构和星系的形成过程，但是还不能确定宇宙中暗物质到底有多少。 同时该模型还有其他一些问题，例如，实际观测某些星系团的年龄达120亿年， 而如果Hubble常数为70km/s/Mpc，则SCDM模型的宇宙年龄仅93亿年，存在 着矛盾。为解决这些问题，一些科学家提出了带宇宙学常数的冷暗物质模型 (ΛCDM)，宇宙学常数与一般的物质或者辐射性质不同，被称为一种暗能量。 ΛCDM的突出特点是，认为宇宙的膨胀最终将加速。 出乎意料的是，1998年，两个观测1a型超新星的小组发现，宇宙的确在 加速膨胀。至此，暗物质和暗能量的存在被普遍接受。Saul Perlmutter,Brian P. Schmidt,Adam G. Riess这三位科学家由于在发现宇宙加速膨胀中的贡献 获得了2011年物诺贝尔理学奖。
暗物质的存在证据
论预期下降的要缓慢，这证明在星系盘外仍存在着 大量未被观测到的物质，即暗物质。另外对于许多观 测到的其他星系盘，必须假定盘周围有球型分布的质 量很大的暗物质(暗物质晕)，才能解释这些星系在动力 学上的稳定性[1]。 2.Velocity dispersions of galaxies(速度弥散度)
2011.12
目录
第一节 暗物质简介
前言 暗物质的存在证据 暗物质是什么？
1. 2.
第二节 暗物质探测方法 各方法简介 暗物质直接探测 1. 直接探测的基本原理 2. 直接探测技术 直接探测实验的近期结果
暗物质的发展历程 暗物质的候选者
第一节 暗物质简介
前言 19，导致了物理学的革命，相对论和量子力学 诞生世纪末物理学天空的两朵乌云，以太漂移和 黑体辐射，而这成为现代物理的基础。如今，粒 子物理的标准模型可以相当好的解释所有已知的 基本粒子的性质，也为凝聚态物理、光学、量子 光学等理论奠定了坚实的基础。 然而在20世纪末，人们发现，物理学的天空中， 又漂着两朵新的乌云，这就是暗物质和暗能量。