暗物质的天文学探测

 暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分,被认为是"笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云",是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视,美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划,开展了一系列的相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划,在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步,在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验,暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星,也是中国发射的第1颗天文卫星,2015年12月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物,有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。     

浅谈暗物质的直接探测

讨论了同时利用中国的暗物质直接探测实验CDEX和PandaX靶核的反冲能量数据及相关的线上数据分析系统AMIDAS重建暗物质粒子的质量和一维速度分布函数的可行性．结果表明：结合CDEX和Pan—daX未来的实验数据，对于较轻的暗物质粒子（质量约小于175OeV），AMIDAS可以很好地重建其质量．     

暗物质间接探测现状

本文简介了暗物质间接探测的最新进展.主要介绍近年来PAMELA（Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics）卫星所探测到的宇宙线正电子超出的问题,及相关的理论解释.本文还介绍了PAMELA对于宇宙线反质子的测量结果,ATIC和Fermi卫星对于正负电子总能谱的测量结果等.另一个重要的结果来自于Fermi和地面实验对于伽马射线的测量结果,这些结果对暗物质性质给出较强的限制.     

寻找宇宙中的暗物质

宇宙中存在暗物质已经得到大量天文观测的证实,但关于暗物质粒子的本质我们仍旧一无所知。为了理解暗物质的性质,许多暗物质探测实验正在展开。直接探测实验探测的是暗物质粒子与探测器物质碰撞所留下的信号,而间接探测实验则寻找暗物质湮灭的产物,如高能伽马射线、高能中微子、正电子和反质子等。理解暗物质所产生的这些信号需要我们了解暗物质的微观粒子的性质,同时也需要了解暗物质在星系或星系团中的分布形式等宏观性质。随着更大规模、更高灵敏度的实验不断投入运行,暗物质之谜有可能在不久的将来得以破解。     

基于地下实验室的暗物质直接探测实验

 暗物质研究是当前基础物理研究的前沿热点课题之一,对天体物理学、宇宙学和粒子物理学等学科的发展具有十分重要的意义。暗物质的直接探测实验是进行暗物质研究的手段之一,也被认为是最为重要的一种方法。本文介绍:暗物质的不同探测方法、暗物质直接探测实验的原理;国际上主要的地下实验室、针对轻质量和重质量暗物质进行直接探测的典型实验及目前取得的进展;下一代实验将面临的挑战和机遇。     

暗物质属性与探测研究进展

观测表明不发光的非重子暗物质占宇宙物质总量的约85%,而其属性目前了解很少.理解暗物质的属性需要超越现有的粒子物理标准模型理论框架.本文对暗物质存在的观测证据,暗物质的丰度起源,暗物质粒子候选者,以及暗物质空间间接探测和地下直接探测的近期实验和理论进展等几个方面进行了简要回顾.重点介绍了与空间间接探测结果相关的理论研究进展,如索末菲效应等,以及地下直接探测结果相关的理论研究进展如有效算符方法,同位旋破缺暗物质等.     

暗物质间接探测和对撞机探测实验现状

综述了暗物质间接探测和对撞机探测实验的现状和最新进展,并对现有主要实验的最新结果和限制进行了归纳总结。自2008年以来,宇宙线正负电子谱的反常超出被多个实验组相继报道出来。尽管存在一些争议,暗物质效应是这些超出现象的一种自然解释。另一方面,反质子-质子比和γ射线观测结果均未呈现反常信号,这为暗物质的性质给出很强的限制。此外,也可以通过对撞机探测实验上的零信号来限制暗物质性质。在不久的将来,AMS-02和LHC的新数据可能会为暗物质研究提供新的启示。     

Q泡暗物质的能量稳定性与激发态

暗物质的理论研究和实验探测是天体粒子物理学中的重要课题,这种物质可能是最轻的超对称粒子构成,并以玻色球和泡的方式存在.在复标量场模型中构造了带U(1)荷的Q泡模型,通过引入两种跑动势的方法计算了Q泡暗物质的特征半径和能量稳定性质,结果得到了Q泡在s基态和p、d、f激发态的U(1)荷和能量,计算了不同能级的能量差,分析了能级的简并性质.这一研究的物理意义在于Q泡暗物质可以发射不同能量的粒子,并为暗物质的实验探测提供一定的理论预测.     

爱因斯坦探针探测keV能段暗物质信号的展望

探索暗物质的物理本质是当前天体物理学与粒子物理学的共同核心任务之一.质量落在keV能区的惰性中微子是热门的暗物质候选粒子之一,在粒子物理、天体物理和宇宙学中均扮演重要的角色.通过辐射衰变,keV惰性中微子释放出一个单色光子,其能量恰为惰性中微子能量的1/2,这一性质对惰性中微子的探测提供了可行的途径.2014年,一个国际合作团队利用XMM-Newton卫星数据在近邻星系团中探测到了峰值能量为3.5 keV的弱发射线信号,并提出这是惰性中微子暗物质的衰变信号.然而,对此发现的后续研究由于现有X射线数据信噪比的限制无法得到一致的结论.爱因斯坦探针卫星独特的大视场巡天将覆盖若干近邻大质量星系、星系团,对3.5 keV信号获得高置信度的探测或有效排除,并可对暗物质在keV能段的可能信号开展高灵敏度搜寻.     

暗物质粒子探测卫星及邻近的电子宇宙射线源

在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,紫金山天文台等单位正在建造"暗物质粒子探测卫星"(DAMPE),预期将于2015年底发射升空.暗物质粒子探测卫星是一个高能伽玛射线、宇宙线探测器,有望在1-10 TeV的电子宇宙射线能谱测量以及GeV-TeV伽玛射线线谱搜寻方面取得重要进展.在本文中,我们扼要介绍暗物质粒子探测卫星探测器的主要组成及功能,并介绍紫金山天文台的科学组在邻近电子宇宙射线源方面的研究进展.     

暗物质模型简介

本文简单介绍了一些关于暗物质的模型研究,首先概述了暗物质的发现和大致的研究框架,并介绍了一些自然的暗物质候选者,如轴子和超对称模型中的Neutralino等,随后我们讨论一些具体模型和由实验诱导的一些模型.     

从万有引力出发对黑洞、暗物质和暗能量的分析与理解

万有引力具有两个基本特性：普适性和纯粹吸引作用,重力系统的能量则必须是正定的．从万有引力出发,在牛顿力学的基础上进行简单推导得到了一些关系式,对黑洞、暗物质和暗能量等一些物理课题进行一定程度的分析和理解．     

暗物质研究述评

近年来的天文观测表明,宇宙中只有约5%的物质是我们所了解的重子物质,其余约25%是暗物质,约70%是暗能量。暗物质和暗能量已成为现代科学中最重要的问题之一。介绍了当前暗物质研究的进展。     

暗物质、暗能量对宇宙未来命运的影响

 据实验检测和理论计算,论证了现时中微子的超对称伴子“中性微子”U_e,B⁰(q₂,g)是宇宙暗物质的最佳候选粒子.认为超新星爆炸释放的暗能量,迫使宇宙背景光子热平衡态的温度T、压强p上升.将压强类比为“反引力”,当“反引力”(压强)大于引力,则宇宙将加速膨胀;当“反引力”小于引力,则宇宙将收缩.     

暗能量

最近的宇宙学观测表明,人类熟悉的原子物质(重子物质)只占宇宙总能量的4%左右,而剩下的能量成分都是看不见的暗物质和暗能量,其中暗物质占23%,暗能量占73%.当前,暗物质和暗能量的起源和物理本质都不清楚,揭开它们的神秘本质是现代基础科学所面临的最大挑战之一.暗物质虽然神秘,但是它所产生的引力是和原子物质一样的正常引力.而暗能量就不同了,它更加神秘莫测,它产生的引力实际上是一种排斥力.正是由于暗能量的排斥力的驱动,我们的宇宙现在正在加速膨胀.暗能量在当前的物理学理论框架下面临着严重的问题.实际上,它的物理本性和量子引力理论有着深刻的联系.因此,暗能量的理论研究将为自下而上地建立一个完整的量子引力理论提供重要的线索.在简要论述了与暗能量相关的各种问题来龙去脉的基础上,描述了这个领域的概况.     

基于液氙的暗物质直接探测

对暗物质的直接探测是探索暗物质本性的一个重要手段.近年来,随着液氙探测技术的发展,探测质量不断增大,对暗物质的探测灵敏度也不断提高.本文从暗物质在液氙探测器中预期的事例数出发,介绍了液氙探测器的信号产生和关键探测技术,以及控制探测器中本底的方法.目前液氙探测技术对暗物质与核子弹性散射截面的上限已经达到了10-44cm2,今后几年的灵敏度会继续提高2～3个数量级,对暗物质新物理模型做出更好的限制.