消化炉的已有知识来看
量的、稳定的或其平均寿命长于宇宙年龄的粒子结团构成.消化炉这些 粒子必须是电中性的,这样才能确保它不能放出和吸收电磁信号.这些粒子必 须是有静止质量的,这样它在自由状态下是以小于真空光速运动,才有可能聚 集和结团.这些粒子必须是稳定的或其平均寿命长于宇宙年龄的,这样才能够 在太空中长期存在.这三个条件都是必要的. 暗物质粒子不直接参与电磁相互作用,但可以参与弱相互作用.暗物质粒子是什么样的粒子?从现在粒子,中微子 和反中微子确实是中性粒子.中微子和反中微子不直接参与电磁相互作用和强 相互作用,但可以参与弱相互作用.中微子和反中微子是稳定的粒子.如果中 微子确有不等于零的静止质量,即使质量很小,中微子和反中微子也有可能是 热暗物质的组成粒子.
粒子物理学中已发现的可以自由地独立存在的稳定粒子只有11种粒子,它 们是质子、反质子、电子、正电子、3种中微子、3种反中微子和光子.但是质 子、反质子、电子和正电子是带电粒子,不可能是暗物质粒子.光子不带电, 但没有静止质量,也不可能是暗物质粒子.3种中微子和3种反中微子即使有静 止质量,也只能是热暗物质粒子.因此所有的已被发现的粒子中,没有一种可 以作为冷暗物质组成粒子的候选人.如果找到冷暗物质的组成粒子,将是粒子 物理学研究的重大进展.冷暗物质的组成粒子肯定是超出标准模型的粒子. 粒子物理学家探讨了许多超出标准模型的理论,提出了许多种可能性进行 研究.一种理论是超对称标准模型理论,认为物质的微观结构和相互作用具有 “超对称性”.粒子的自旋角动量沿运动方向的投影称为粒子的螺旋度.超对 称性是指自旋沿运动方向的投影是J的粒子和另一个自旋沿运动方向的投影是 J+1/2或J-1/2的粒子相互作用性质相同.后一种粒子称为前一种粒子的配 偶粒子.这种超对称性在能量低的运动过程中破缺了.
超对称标准模型预言:所有的粒子都有自己的超对称 “配偶 ”粒子,超 对称配偶粒子的螺旋度和原来的粒子差1/2,从而它的自旋也和原来的粒子差 1/2.超对称配偶粒子和原来粒子的相互作用性质相近. 严格的超对称性要求粒子和配偶粒子的质量相同.超对称性破缺之后粒子 和配偶粒子的质量可以不同,但它们的质量差应远小于超对称性破缺的能量标 度对应的质量. 现在的超对称标准模型理论估计超对称性破缺的能量标度为1TeV或更 §10.5 宇宙中的暗物质和暗物质的探寻 2 11 高.因此粒子和配偶粒子的质量差应该远远小于1TeV对应的质量. 费米子的配偶粒子是玻色子,玻色子的配偶粒子是费米子.自然界存在的 基本粒子的数目将比原来标准模型给出多一倍. 由于超对称性的破缺,超对称配偶粒子的质量和原来粒子的质量可能不 同,实际上可能重得多,至少是质子质量的34.5倍以上.所有的超对称配偶 粒子中最轻的一个粒子应该是稳定的粒子.如果这个粒子是中性粒子,就有可 能是冷暗物质粒子的很好的候选者. 暗物质粒子的探寻 粒子物理学家期望能在原始宇宙射线中找到这种粒子.宇宙射线是来自太 空,有可能包含相当分量的这种中性粒子,它们的相互作用行为相当于质量很 重的中微子.它们和大气中的各种原子的原子核碰撞会产生带电粒子而被观 察到. 1972年,云南落雪山宇宙射线站观察到一个奇特的事例:在宇宙线中出 现一个能量大于300GeV的粒子,它和石蜡中粒子碰撞,产生3个
带电粒子. - 分别记作a、b、c.测量辨认的结果是:a被判定是 π介子;b被判定是质子 p;c是一个质量远远重于质子,寿命很长的粒子,已知粒子中没有一个粒子 具有这种性质.分析这个实验观测的结果得到:如果碰撞之后没有未被记录到 的中性粒子,则这个新的带电重粒子c的性质为:质量m>43GeV,即至少是 -9 质子质量的45倍以上;寿命t>0.406×10s.从粒子物理的标准来看是相当 稳定的粒子,也有可能是稳定的粒子. + 如果这个带电的粒子c不稳定,则它应该可以通过弱相互作用而衰变: +0+ c?c+e+ν. e -90 但是观测到它的寿命长于0.406×10s,这要求它衰变后产生的中性粒子c 的质量m满足下面的不等式: 0 m-m<0.270GeV. +0 0 也就是说,c也应该是一个重中性粒子,其质量 m>42.7GeV. 即至少是质子质量的45倍以上. 0 +0 这个c实际上可能就是宇宙线中c粒子和石蜡中的质子p碰撞产生的. 0 这个可能存在的c粒子的性质符合冷暗物质粒子的全部要求.无论是观察到 +0 的c粒子,还是推测其可能存在的c粒子,都肯定是超出标准模型的粒子. 可惜只有一个事例,还不能做最终的判定. 1975年和1979年,印度和日本两国物理学家合作,在印度Kolar金矿矿 井中研究超高能中微子引起的反应,他们观察到了7个奇特事例.当时他们把 2 1第十章 宇宙的结构和演化 2 这些事例解释为超高能中微子引起的反应,认为这些奇特事例中产生了一些质 量大于质子质量2倍的稳定粒子,但在确定粒子速度的运动学分析上遇到了不 自洽的矛盾.
1979年,Kolar金矿矿井实验中观察到的奇特事例是 “双芯”事例.“双 芯”事例表现为观测到两个能量分别约为100GeV和80GeV的大量粒子的簇 射,它们之间的夹角是26°. 如果这事例是来自一个重粒子的衰变,则这个重粒子的质量下限是 40.2GeV.如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞,假定是由零质量的中微 子入射而引起的反应,则定出这个入射粒子质量的下限是35.8GeV. Kolar金矿实验的分析也表明,可能有长寿命或稳定的重的带电的或中性 的粒子存在,这些重粒子的质量也至少是质子质量的数十倍以上.也印证了可 能在宇宙射线中有重的稳定的粒子存在.有可能这些粒子是暗物质的组成粒 子.可以肯定的是这些粒子的存在超出了粒子物理的标准模型. 目前,由我国科学家发起组织的国际合作组正在进行在高能宇宙射线中探 测寻找新粒子的国际合作研究. §1 膨胀的不均匀性和宇宙的结构 06. 宇宙结构可能显现不均匀 哈勃关系:远方星系的 “红移”正比于距离. 远方星系中有大量的恒星,如果辨认出其中有造父变星,就可以通过这个 造父变星来推断这个星系到地球的距离.但是如果星系离地球太远,即使星系 中含有造父变星,也难以辨认,也就难以据此确定星系和地球的距离. 星体演化可以表现为 “超新星爆发”,也就是星体发光在很短时间内急剧 增长,一下增长了几个数量级,然后又逐渐暗下去. 超新星有几种类型,有一种超新星叫做1A型,特征和规律都很强,可以 起造父变星的作用.远方星系中有大量的恒星,如果辨认出其中有1A型超新 星爆发,就可以通过这个超新星来推断这个星系到地球的距离.通过辨认出 1A型超新星爆发,确定了许多远方星系到地球的距离. 近几年来的重大发现:非常远的星系的 “后退速度”小于哈勃关系的线 性增长规律,显示出宇宙的结构不是均匀的.为什么? 一种可能的原因 对于已观测到的非常远的星系的 “后退速度”小于哈勃关系的线性增长 §10.6 膨胀的不均匀性和宇宙的结构 2 13 规律,其原因是什么目前还不清楚,科学界众说纷纭,没有统一的看法,也还 没有倾向一致的看法.下面举例介绍其中的一种看法. 引力方程— ——广义相对论方程中含有一个宇宙项,其中有一个宇宙常数 Λ,这是个对全宇宙统一的普适常数,原来的宇宙方程中认为 Λ=0.现在观 察的结果显示可能 Λ>0,尽管值很小,但在宇宙范围内,它的影响会表 现出来.
Λ>0的物理效应: 1.所有空间中都存在固有的 “暗能量”,它的密度正比于 Λ,是全宇宙统 一的.这种 “暗能量”是固定在空间上的,因此不能稀释,也不能设法浓缩. 2.暗能量对其它物质的相互作用表现为一种 “万有斥力”.在宇宙演化早 期,宇宙体积小,万有斥力不显现明显的效应,现在在大尺度距离会显现的效 应是宇宙在加速膨胀. 3.可以通过现在的观测结果,估计宇宙常数 Λ的值,从而估计出现在观 测宇宙中暗能量的总量.随着宇宙的膨胀,暗能量的总量是不断增加的,但宇 宙中其它物质,如重子物质、暗物质并不增加. 4.暗能量是 “固定”于空间体积上的,因此它不由任何粒子组成,因为 任何粒子都可以通过其所参与的相互作用而移动、运动,使之浓缩或稀释. 宇宙可能的物质构成 按照这种看法估计宇宙的物质构成为: 1.暗能量 ΩΛ 空间固有的物质密度,即在所有空间都存在的物质密度,对全宇宙是一个 普适常量.暗能量并不以微观粒子结团的形式存在,而是均匀地分布于全宇宙 空间. 2.暗物质 Ω=Ω+Ω dmcdmhdm 暗物质是不能提供任何直接的电磁作用信号,但可以有引力效应的物质. 暗物质包括冷暗物质和热暗物质两类.冷暗物质是其组成粒子以低速运动的暗 物质,相对密度为 Ω