为什么我们相信有暗物质并可在实验中观测？

季向东上海交通大学/马里兰大学普通物质暗物质的间接证据宇宙中暗物质的残留和粒子物理中的侯选对象怎样探测暗物质展望我们周围的万物(地下）都是由“普通”物质组成普通的物质是由原子和分子组成（19世纪化学)原子是由原子核和电子组成（20世纪初）原子核由质子中子组成（1930s）质子中子是由夸克胶子组成（1970s）原子光谱的研究表明，太阳，银河系，天上所有的星星都是由普通的物质组成的维里定理：在重力场中，平均来说，物体运动的势能是动能的2倍。1933年，加州理工学院的教授Zwicky研究Coma星系团中星系运动的动能。他发现星系的动能远远大于周边可观察到的物质能产生的势能。因此他，他提出“暗物质”的可能性根据他的计算，暗物质的质量至少是发光物质质量的300倍！1.星系结构1.星系转动曲线，2.引力透镜3.矮星系中的速度分布2.星系团结构1.引力透镜，速度分布，热气体(X-ray)3.宇宙背景辐射4.宇宙的大尺度机构在银河系里，所有的星星都绕银心转动根据牛顿的万有引力，太阳转动的速度和银河系的质量以及太阳离银心的距离直接相关根据这个公式，太阳的转动速度应是170公里/秒，但实际得到的速度是220公里/秒v(r)r在星系里，星星绕系心转动的速度和离系心的距离关系形成星系转动曲线95%质量来自暗物质！在光线通过引力场时，会发生偏折，通过偏折的大小，我们可以计算引力场的分布，因而能探测质量的分布StrongLensing(Tysonetal.)DarkMattercanextendasfaras200kpcandbeyond!根据宇宙学的标准模型，宇宙起源于130亿年前的一次大爆炸。自那以后，宇宙在不断膨胀和泠却。在大约30万年的时候，宇宙冷却到电子和原子核从等离子态形成原子，宇宙从此一片光明。那时形成的光就在宇宙中“准自由”传播，成为宇宙130亿年的“化石”：背景辐射（Dicke,Gamow,1946)。1965年，Penzias和Wilson(BellLab)无意中发现了宇宙背景辐射，其温度大约为3度。1978年物理诺贝尔奖。1990,J.Mather通过COBE卫星发现，CMB是非常完美的黑体辐射。在不同的方向上几乎是相同的！1992年，Smoot用COBE发现CMB在10-5发水平上有涨落。涨落可以用简单的暴涨模型来解释，但必须有23%的暗物质！背景辐射的涨落Mather和Smoot我们今天的宇宙是非常不均匀的。这个不均匀是通过宇宙早期的涨落和引力的不稳定演化而来。背景辐射的涨落暗物质很可能是一种粒子电中性的有很长的寿命无强相互作用CandidatesMACHOSPrimodialBlackHoles,MirrorMatterAxionsWIMPs,WIMPzillas弱电理论的自发对称破缺：Higgs粒子至今还没发现中微子是一种可能的选择，但中微子太轻必须有其他粒子的存在。新粒子！冷暗物质是质量较大的粒子，在星系形成时处在非相对论的运动状态。热暗物质是在星系形成时相对论运动的粒子（nuetrino,axionetc.)宇宙演化的数值模拟显示，暗物质是极可能是种冷的物质，因此它的质量应该比较大。在宇宙的早期，暗物质粒子和宇宙中的其它粒子处在热平衡状态。随着宇宙的冷却，暗物质粒子不断湮没，和宇宙中的其它粒子继续保持热平衡到了一定的时间，粒子密度过小，湮没的速度放慢，暗物质粒子遗留下来成为宇宙中的古迹。为了解释宇宙中暗物质的遗留量，其粒子的湮灭截面必须是~10-40cm2暗物粒子除了有引力相互作用外，很可能有弱相互作用！WIMPs：Weakly-InteractingMassiveParticles!暗物质粒子和弱电理论的自发对称破缺也很有关系！Higgs粒子之一超对称粒子中性超费米子？KK粒子额外维空间的激发大型加速器间接探测直接探测7TeV质子+7TeV反质子如果暗物质具弱相互作用，它们的质量小于3-5TeV,可以在LHC产生暗物质粒子在空间有可能湮灭，产生普通的物质，如正负电子对,夸克反夸克高能x-射线，gamma射线,高能中微子暗物质形成一个巨大的海洋，把银河系包围其中。我们的地球（探测器）是在暗物质海洋中一条行驶的“小船”。流动的暗物质粒子会有极小的概率碰撞到探测器的原子核上(1次/100公斤/天），引起它的弹跳，对暗物质的“直接探测”就是测量探测器中原子核由于暗物质的碰撞而引起的弹跳!半导体探测器（锗，硅）测量热量和电流特点：极低温（0.02K）、成本高，很难做大单晶体探测器（NaI，CsI）测量光特点：很难区分本底（噪音）惰性元素气液两相探测器（氙，氩）测量光和电特点：可以区分本底、低成本，可以做到“吨级”上海交大参与的国际实验种种迹象表明，我们正处在发现暗物质的边缘DarkMatterRush!成立于2009年初主要单位上海交通大学中科院上海应用物理研究所山东大学中国原子能科学研究院１）发现暗物质!２）排除超对称!首选：四川锦屏山锦屏二级水电站除4条引水隧洞（洞径约13米）外，为交通运行和进一步地质勘探建设了2条辅助洞。辅助洞全长各约17公里，相互平行中心距为35米，洞径约6米。最大埋深2400米(等效水深6000米）.《创新2050：科学技术与中国的未来》（2009）（中国科学院战略研究系列报告）可能出现革命性突破的4个基本科学问题：暗物质、暗能量被列为第一报告指出：“揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。为此，需投资建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置，包括地下和太空的粒子探测器和在南极建立大口径天文望远镜，以取得第一手实验数据，在国际竞争中处于主导地位”以后的几年里，在粒子物理宇宙学的领域极有可能有重大的发现暗物质是什么？电子的质量从哪里来？这两个发现极有可能相互关联！希望中国人在这些研究中能作出重要贡献