寻找暗物质的黑马

正中国已经是寻找宇宙中难以捉摸的无形粒子的强大参与者。2015年,中国将一个名为"悟空"的宇宙探测器送入地球轨道,用于跟踪和记录宇宙射线,即来自宇宙的高能粒子流。探测器在其工作的最早530天里,记录了超过28亿条宇宙射线。当科学家查看数据时,发现了一些异常:一些射线(至少有150万条)具有与其他射线不同的高能量。从曲线图中可见,这些射线     

超高能宇宙线从何而来?

宇宙线是来自外太空的唯一物质样本,携带着粒子物理、高能天体物理、宇宙物质组成及其演化的丰富信息.已知的宇宙线粒子最高能量约为3×10~(20) eV."宇宙线是如何被加速的?""其起源天体是什么?""在这样的高能情况下,已知的物理学规律是否还能适用?"等这些都是有待解决的重大科学问题.为此人们通过多种实验手段在空间和地上开展宇宙线的多信使研究.在过去的几十年里,宇宙线、伽马射线和中微子观测取得了丰富的成果:(1)宇宙线能谱、成分和各向异性的测量精度达到了史无前例的水平,极高能宇宙线的偶极各向异性表明这些粒子来自银河系之外;(2)空间实验发现了3000多个GeV伽马源,地面实验发现了近200个TeV源,它们大多为高能电子源,有几个已被认证为强子源;(3)冰立方实验发现了近百个高能中微子,它们的各向同性分布暗示着河外起源.这些新结果为解决宇宙线的起源问题和发展相关的粒子加速理论奠定了基础.新一代更高灵敏度的实验装置的建设和运行正在开启宇宙线粒子天体物理研究的新篇章.     

“悟空”可能首次看见暗物质

<正>中国暗物质粒子探测卫星"悟空"首次直接测量到目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。而其中的数据表明,宇宙空间中存在着"质量为1.4万亿电子伏左右的新物理粒子"。科学家推测,它可能就是人们长期以来寻找的暗物质!2015年12月17日"悟空号"成功发射,在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV     

宇宙射线诞生于恒星爆炸

据一个国际研究团队报道,费尔米空间望远镜收集的数据充分证明了宇宙射线(高速高能量的粒子)来源于超新星.这些带电的颗粒,大多数是质子,持续地从外太空冲击着地球.超新星残留物(超新星爆炸后留下来的物质)是宇宙射线的根源,这是科学家们的共识,但这一共识难以得到证明,因为这些宇宙射线在来地球的途中发生了偏转.     

太阳质子的上升时间、等效扩散系数和平均自由程

扩散系数K或者平均自由程λ是讨论宇宙线传播特性的重要物理参数。根据粒子在行星际空间传播的模型,分析太阳宇宙线事件资料,所求出的等效扩散系数或平均自由程,往往远大于根据粒子在随机场中散射的理论分析行星际磁场功率谱所定出的系数(称之为JC系数)。这种分歧的原因尚未得到合理的解释。我们曾经初步地讨论过这个问题。鉴于在     

地下宇宙线的观测和研究

一、地下宇宙线的特点近一、二十年来,虽然高能加速器有了很大的发展,但是,宇宙线的观测和研究仍然受到广泛的重视。在高能物理方面,加速器迄今达到的能量(10~(11)～10~(12)eV)仍远远低于宇宙线中已观测到的超高能粒子的能量(10~(20)～10~(21)eV);在空间物理和天体物理方面,宇宙线的研究则具有不可能为加速器所替代的特点。宇宙线的穿透能力和到达情况是多种多样的。例如:γ射线容易被大气强烈吸收,而中微子则能穿透     

暗物质粒子探测卫星研究进展

天文观测表明,宇宙中广泛存在暗物质,其丰度是普通物质的5倍,占宇宙总能量份额的约1/4.自20世纪30年代天文学家通过引力观测发现暗物质以来,经过近百年的探索,其物理本质至今仍然不为我们所知.另一个世纪谜题是高能宇宙射线的起源、加速和传播.暗物质的本质和宇宙射线的起源位列美国国家研究委员会(National Research Council)遴选出的21世纪11个宇宙物理学重大科学问题之列.探测暗物质粒子也是世界各国竞争异常激烈的科技热点.我国发射的暗物质粒子探测卫星,其主要的科学目标即通过精确观测高能宇宙射线电子和伽马射线来间接探测暗物质粒子.作为一个高能粒子探测器,暗物质粒子探测卫星观测数据也可用于宇宙射线物理和相关天体物理研究.基于暗物质粒子探测卫星的数据,我们得到了对宇宙射线电子和质子能谱的最为精确的测量,揭示了能谱上的新结构,为限制暗物质粒子属性和理解宇宙射线起源提供了重要数据.暗物质粒子探测卫星还探测到约250个伽马射线点源以及银河系弥散伽马射线辐射.本文综述了暗物质粒子探测卫星的设计、运行和数据分析进展.     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

宇宙线粒子的时间相关

1973年宇宙γ射线暴的发现,引起人们猜想:对于宇宙线荷电粒子,是否也存在类似的高能爆发现象?近年来,已开始出现寻找宇宙线粒子暴的实验。例如,寻找关于γ暴起源的尘粒模型所预期的地面μ子暴,寻找超高能区(10~(13)～10~(14)eV)γ射线暴在空气中引起的次级粒子暴。这些实验都是研究在宇宙线粒子计数的泊松分布背景上是否存在异常的高计数事例,它们的结果都是否定的。这些实验都采用不加选择地测量粒子计数分布的办法,因而比较稀少的爆     

最新研究称：宇宙射线可能来自超新星残余

据美国国家地理网站最近报道，根据一支国际小组进行的一项新研究，恒星爆炸能够在太空中扮演超大功率粒子对撞机的角色，进而创造宇宙射线。宇宙射线实际上是指一直以来“轰击”地球的高能亚原子粒子。在这些轰击地球的微小粒子中，能量最大的相当于一个以时速每小时157千米飞行的棒球。     

太阳宇宙线的等效扩散系数

当前太阳宇宙线传播问题的研究中有几个值得注意的问题是:粒子在行星际空间的扩散系数或平均自由程究竟是多少?粒子是如何输运至联结日地的行星际磁力线上的,是靠日冕传播还是行星际横向扩散?本文试图利用我们得到的无限均匀介质中各向异性扩散对流方程的量纲分析解叫来讨论这个问题.     

看不见的强大力量——磁场

<正>宇宙中存在一种强有力的隐形力量——磁场,它在塑造宇宙的过程中发挥了至关重要的作用,能够悄无声息地将天体维系在一起;它每时每刻都影响着我们,是地球生命的重要保障。神秘力量:磁场我们已经知道,磁场在地球上扮演了十分重要的角色。地球磁场最大的贡献是形成一道屏障,保护臭氧层免受宇宙中高能粒子的破坏,让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。除此之外,地球磁场还把宇宙射线集中到地球的南北两个磁极。高速太阳风会以每秒数百千米的速度飞向地球,不断冲击着地球外围环境,当高能粒子流     

宇宙射线的来源之谜

一个国际天文学家小组最近称,他们揭开了困扰科学家百年之久的一个谜:宇宙射线的来源。一个世纪前,科学家们首次发现了撞击地球的能量粒子。但在天体物理学中,这些能量粒子来自哪儿仍然是一个不解之谜。现在,天文学家们利用在非洲的4台望远镜首次得到一幅图片,图片显示宇宙射线     

宇宙线研究进展

宇宙线物理是研究宇宙线的产生、在星际空间的加速、传播及其与物质相互作用的科学。它与高能物理、空间物理、天体物理和地球物理都有密切的联系。宇宙线的观测和研究是人们探索大自然的重要手段之一。重庆建筑工程学院物理研究室,是1978—1985年全国自然科学学科规划项目——地下宇宙线的观测和研究的负责单位。他们还参加了中日合作的、世界最高的高山乳胶室——西藏甘巴拉山乳胶室的研究工作。他们的科研成果和论文多次在国内外有关会议上发表,其成员也多次受到国际宇宙线会议的邀请。这里刊载的两篇文章,第一篇介绍了宇宙线研究的概况和进展——作者刘中和副教授是中国空间科学学会理事,高能物理学会宇宙线专业组成员。第二篇介绍了乳胶在宇宙线研究中的应用,这是当前国际宇宙线研究中比较活跃的课题。作者李光炬同志参加过甘巴拉山乳胶室的建室等研究工作。     

宇宙背景温度可能起源于量子场真空

在量子场真空中具有加速度的粒子会导致温度的出现,这个理论用于粒子物理学是可行的.量子场真空存在着温度效应.宇宙空间飞行着大量的荷电粒子,在电磁场的作用下频繁地产生加速度.具有加速度的宇宙线粒子在真空(量子场的最低能量态)中也就应有温度效应发生. 粒子加速度a与温度T的关系为kT=1/2 ah/πc,(1)这里k是玻尔茨曼常数,c是光速,h是普朗克常数.现在我们用量纲的方法,从宇宙线和天体物理的观测数据来估算宇宙背景温度T_0的数量级.荷电粒子平均加速度(?)与电磁场强度成正比,因此,(?)与宇宙空间的电磁能密度成正比.对于背景温度,应当用星系际磁场能     

对吉林陨石宇宙成因放射性核素的初步研究

陨石母体是太阳系里的一种小天体,它们由于相互间碰撞或与其它宇宙物质碰撞而破碎,这些碎块继续在宇宙空间高速地运行,不断地受到银河宇宙射线和太阳宇宙射线的照射。由于宇宙射线及其与陨石物质相互作用后所产生的次级粒子的作用,在陨石体内产生了各种核反应,从而产生了一系列放射性的和稳定的同位素,一般称此为宇宙成因核素或宇宙成因同位素。     

宇宙线高能物理学进展

宇宙线的发现已有六十多年的历史了,在这段时间里,它对高能物理的研究起了很重要的作用。一、历史的贡献人们早就注意到宇宙线粒子的能量比天然放射性粒子的能量高得多,因而最初的高能物理实验都是在宇宙线中进行的.1932年,安德逊(Anderson)在宇宙线中发现了正电子,这可以说是基本粒子物理学的开端.这以后的宇宙线实验推动了量子辐射理论的建立,对电子辐射光子、光子转换为电子对和在能量足够高时形成的级联簇射现象进行了研究.在这些研究中,发现了一种辐射特性比电子弱得多而又不是质子的带电粒子,后来测出它的质量约为电子质量的200倍,即μ介子.最初人们以为这就是汤川所预言的传递核力的介子,但随后的实验表明μ介子与原子核的作用是很弱的,它不可能是传递核力的介子;1947年,     

技术天地

技术天地在第二次世界大战之前，世界上只有两个窗口可用以一商地球大气层的外景：一个是恒星和星系所发出的，又恰好处于射电波谱中人类肉眼可以看到的那一部分辐射，另一个就是宇宙线。实际上，当时对宇宙线的主要兴趣是作为研究粒子物理学的一条途径。对电离层的详细研...     

光对空间带电粒子产生斥力的一种假说与太阳风的起源

由间接观测和直接的宇宙火箭的探测已经证实,太阳时刻不停地向四周空间喷射出等离子体粒子流,形成太阳风;它在空间有一定的密度分布与速度分布,在地球轨道附近太阳风速度达到每秒500公里的量级,密度大约为10个/厘米~3左右。这个现象,迄今在理论上仍然没有得到圆满的解释。现在比较公认的理论要算Parker的理论,但是他的理论存在根本性的问题。根据太阳风的观测事实,我们应该考虑:这些带电粒子(主要是质子和电子)受着什么力的作用因而能克服巨大的太阳引力而飞向星际空间?把这些粒子加速到每秒几百公里的巨大速度的物理机制是什么?供给粒子的能量是从哪里来的?等等,一句话太阳风是怎样形成的?     

什么是暗物质?

虽然暗物质的存在已经得到了大量的天文观测的支持,但暗物质的属性是什么仍然是个未解之谜.近期暗物质探测的实验和理论研究均取得了长足的进展.本文从暗物质问题的提出讲起,介绍了暗物质的基本特点和可能的粒子物理候选者,之后详细介绍了暗物质研究的最新进展.(1)暗物质研究的早期历史.从星系旋转曲线、引力透镜、微波背景辐射等方面介绍了暗物质的观测证据,特别是暗物质丰度起源的标准热退耦理论机制和典型的暗物质粒子候选者,如弱相互作用有质量粒子等.(2)暗物质粒子的实验探测的基本原理和手段,如地下直接探测和空间间接探测等.重点综述了近期实验研究的进展.在地下直接探测方面综述了10 Ge V以下轻质量暗物质的探测实验:Super CDMS(super cryogenic dark matter search),CDEX(China dark matter experiment)等,以及大质量暗物质探测中的液氩探测器Dark Side等.(3)暗物质未来的碰撞方向性探测实验,如DRIFT(directional recoil identification from tracks),MIMAC(MIcro-tpc MAtrix of Chambers)等.在空间间接探测方面介绍暗物质湮灭到宇宙线粒子中涉及到的宇宙线粒子产生和传播的基本理论.(4)已有的实验,如Fermi-LAT(Fermi large area telescope)和AMS(Alpha magnetic spectrometer)-02在高能宇宙线电子和核子方面已经取得的成果,特别是近期DAMPE(dark matter particle explorer)卫星实验的首个结果中看到的正负电子总流强中的新现象和疑似反常现象以及AMS-02的反质子结果对暗物质搜寻的影响.展望了未来在反核子,如反氘和反氦方面可能取得的结果及其对暗物质研究的重要性.