最新太空實驗發現：暗物質可能會「自我毀滅」

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作者：Matt Williams

來源：Universetoday

責編：高明

審校：鄭永春

自從二十世紀六十年代提出宇宙存在「缺失的質量」以來，科學家們就一直在尋找暗物質存在的證據。這個神秘的不可見的物質，理論上占宇宙中可見物質質量的26.8%。儘管進行了五十多年的研究與探索，科學家們卻並未找到 「缺失的質量」任何直接的證據。

然而，最近「物理評論快報」上發表的兩篇新論文研究顯示，歸功於國際空間站的實驗，我們可能已經首次窺見了暗物質的真容。被稱為阿爾法磁譜儀（AMS-02）的人類最先進的粒子物理檢測器，自2011年以來一直在進行宇宙射線的紀錄工作，而其中一些射線經理論分析，是由湮滅的暗物質粒子產生的。

AMS-02的外觀（圖片來源：NASA）

目前工作的AMS-02像其前身AMS一樣，是由來自16個國家的56個機構組成的國際團隊合作的成果，由美國能源部資助並由約翰遜航天中心的AMS項目辦公室監製，於2011年5月16日由奮進號太空梭發射升空，交付國際空間站使用。

?AMS-02由奮進號太空梭發射至國際空間站（圖片來源：NASA）

表面上看，AMS-02旨在用於監測宇宙射線，監視有多少反質子進入地球。但相關的兩個科學小組也參考了它收集的數據來測試有關暗物質的理論。大質量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMP）理論認為，這些反質子是由WIMP構成，質子和反質子是WIMP碰撞的產生的結果。於是，這兩個科學團隊（他們彼此獨立工作）通過監測與AMS-02相互作用的反質子的數量，希望推斷出，檢測到的任何反質子是否可能由WIMP的碰撞所引起。然而困難在於，這種碰撞的跡象是怎樣的，因為宇宙射線有許多來源，並且WIMP的屬性也沒有被完全定義。

於是兩個團隊設計了數學模型來預測宇宙射線背景，從而隔離出AMS-02檢測到的反質子數量。他們進一步加入了對WIMP的預期質量的微調估計，直到符合AMS-02的數據。 其中，由Alessandro Cuoco領導的由理論粒子物理與宇宙學研究所的研究人員組成的團隊，使用計算機模擬，基於兩種情況檢查了AMS-02數據，一種是包含暗物質的，另一種則沒有，研究表明，WIMP碰撞產生的反質子的存在更好地適應了數據，而且它們還能夠將暗物質的質量約束到約80GeV（約為單個質子或反質子質量的85倍）。該團隊在所發表的文章中指出：

「AMS-02實驗對CR反質子的精確測量，使我們獲得了DM信號前所未有的靈敏度，比對矮星系伽馬射線觀測的極限強4倍，此外，我們還發現，反質子流的DM信號與銀河中心伽馬射線過剩的DM解釋相兼容。」

根據超對稱性，被稱為WIMP的暗物質顆粒相互湮滅，產生了一系列粒子和輻射（圖片來源：skyandtelescope.com）

另一支由南京大學崔明陽領導的團隊由中國科學院、南京大學和中國科技大學的研究人員組成，該團隊通過使用之前通過硼碳比和原子質量測量得到的數據，估計了宇宙射線的背景參數。這種硼衰變為碳的衰變率測量，能夠標度硼分子在空間中運動的距離。在這種情況下，它們可與質子測量結合以確定宇宙射線的背景水平。該團隊將這些數據併入貝葉斯分析框架（即用於確定概率的統計模型），以確定有多少反質子歸因於WIMP的碰撞。正如其的文章中指出的那樣，研究結果是令人振奮的，其給出的估計與Cuoco團隊非常類似，暗物質粒子的剩餘質量是20-80GeV。此外，兩個科學團隊在對暗物質的橫截面進行測量時也給出了類似的估計——即基於密度的暗物質分布發生碰撞的可能性。例如，Cuoco團隊獲得的橫截面估計為3×10-26/cm3，而崔明陽團隊得出的估計值為0.2 - 5×10-26/cm3。

兩個獨立運作的科學團隊卻得出了非常相似的結論，這一切非常令人鼓舞。雖然這不是暗物質的明確證明，但它確實是朝著正確方向邁出的一步。樂觀地說，這表明我們越來越接近於繪製出一幅有關暗物質的詳細圖像。但同時，兩個團隊也認為，進一步的工作是必要的。 Cuoco團隊寫道：「對信號的確認需要更準確地研究系統的不確定性，即針對反質子產生的橫截面以及太陽調製效應的建模。」

科學家們試圖通過過去的宇宙射線來尋找暗物質存在的證據，這讓擁有高精度的AMS-02有了脫穎而出的機會。截至本文發稿時，AMS-02已經測量了超過100, 523, 550, 000個粒子！

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