暗物質──被譽為21世紀的首席物理學難題
數十年來,人們殫精竭慮研究,卻依然對它所知甚少……
暗物質既看不見、也觀測不到,科學家又憑什麼說它存在？
▏暗物質是什麼？
有一類物質暗藏在宇宙中,既不發光、也不吸收、反射或折射光,不僅在沒有光的黑暗中看不到,在有光線的環境中也完全透明,同樣看不到。
這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質,就被稱為暗物質。
▏暗物質如何被發現？
1933年,天文學家費里茨·茲威基(Fritz Zwicky)驚奇地發現:大型星系團內的星系,具有極高、又難以理解的運動速度,單靠我們所觀測到的星系團引力作用,根本不可能束縛這些星系在星系團內的高速運動──除非在星系團中,還有「看不見」的物質產生了強大的引力。
此後,天文學家透過測量螺旋星系的旋轉速度、觀測重力透鏡、大尺度宇宙結構形狀,以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象,大膽猜想:宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過引力作用被感知的暗物質,而且所占比例很大(據計算,約占整個宇宙物質總量的85%)。
▏暗物質真面目的頭號嫌疑人:WIMP粒子
WIMP粒子,即大質量弱相互作用粒子(Week Interaction Massive Particle),是一種和普通粒子有弱交互作用、質量較大的假想粒子。
對WIMP性質的猜想可歸納為以下幾點:
(一)WIMP的質量可能比普通粒子(如質子、中子等)的質量大很多
(二)WIMP不帶電,沒有電磁作用,也沒有像普通核子之間的強交互作用,幾乎與普通物質粒子不發生交互作用
(三)即使WIMP與普通物質粒子發生交互作用,也是很弱的作用──可能是標準模型中的弱力,也可能是我們還不了解的另類弱力；另外,理論認為WIMP產生於宇宙初始階段,有較大的質量,在宇宙中運動的速度緩慢,有可能聚集成團
▏基本模型的困惑:WIMP粒子與「超對稱粒子」
基本粒子能被分為自旋為整數的玻色子(Boson),與自旋為半整數的費米子(Fermion),而將這兩類粒子連繫起來的理論,就被稱為超對稱理論(SUSY)。
遺憾的是,多年來這種理論所預言的那麼多超對稱粒子,人們不禁要問:它們會不會是暗物質粒子呢？
WIMP粒子是基本粒子嗎？
WIMP粒子本身之間有什麼樣的作用？
WIMP粒子與普通物質粒子之間,除了引力之外還有其他交互作用嗎？
如果有作用,是基本交互作用中的某一種呢,還是存在其他作用？
▏如何探測WIMP粒子？
探測暗物質粒子WIMP的有兩種方案:
◎間接探測
間接探測方法,是基於暗物質粒子WIMP粒子和它的反粒子之間有可能發生湮滅的假設。透過探測WIMP粒子和它的反粒子湮滅後,生成一對能量相同的兩個正負電子、一對能量相同的伽馬射線、正反質子、正反微中子等,來探知WIMP。
◎直接探測
雖然將探測器安置在對撞機附近很容易實現,但也有很大的困難,例如普通粒子對撞產生WIMP的機率極小,千百萬次碰撞才可能產生一次、碰撞中同時會產生大量普通粒子,意味著要在大量普通粒子的背景中尋找WIMP等等。
▏讓本書帶領你,尋找宇宙過去與未來的終極解答
本書旨在向讀者深入淺出、圖文並茂介紹有關「暗物質」的基本知識,了解暗物質的來由,並從實驗的角度出發,討論探測暗物質的原理。
本書,就是你暗物質旅程的第一站。
數十年來,人們殫精竭慮研究,卻依然對它所知甚少……
暗物質既看不見、也觀測不到,科學家又憑什麼說它存在？
▏暗物質是什麼？
有一類物質暗藏在宇宙中,既不發光、也不吸收、反射或折射光,不僅在沒有光的黑暗中看不到,在有光線的環境中也完全透明,同樣看不到。
這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質,就被稱為暗物質。
▏暗物質如何被發現？
1933年,天文學家費里茨·茲威基(Fritz Zwicky)驚奇地發現:大型星系團內的星系,具有極高、又難以理解的運動速度,單靠我們所觀測到的星系團引力作用,根本不可能束縛這些星系在星系團內的高速運動──除非在星系團中,還有「看不見」的物質產生了強大的引力。
此後,天文學家透過測量螺旋星系的旋轉速度、觀測重力透鏡、大尺度宇宙結構形狀,以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象,大膽猜想:宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過引力作用被感知的暗物質,而且所占比例很大(據計算,約占整個宇宙物質總量的85%)。
▏暗物質真面目的頭號嫌疑人:WIMP粒子
WIMP粒子,即大質量弱相互作用粒子(Week Interaction Massive Particle),是一種和普通粒子有弱交互作用、質量較大的假想粒子。
對WIMP性質的猜想可歸納為以下幾點:
(一)WIMP的質量可能比普通粒子(如質子、中子等)的質量大很多
(二)WIMP不帶電,沒有電磁作用,也沒有像普通核子之間的強交互作用,幾乎與普通物質粒子不發生交互作用
(三)即使WIMP與普通物質粒子發生交互作用,也是很弱的作用──可能是標準模型中的弱力,也可能是我們還不了解的另類弱力；另外,理論認為WIMP產生於宇宙初始階段,有較大的質量,在宇宙中運動的速度緩慢,有可能聚集成團
▏基本模型的困惑:WIMP粒子與「超對稱粒子」
基本粒子能被分為自旋為整數的玻色子(Boson),與自旋為半整數的費米子(Fermion),而將這兩類粒子連繫起來的理論,就被稱為超對稱理論(SUSY)。
遺憾的是,多年來這種理論所預言的那麼多超對稱粒子,人們不禁要問:它們會不會是暗物質粒子呢？
WIMP粒子是基本粒子嗎？
WIMP粒子本身之間有什麼樣的作用？
WIMP粒子與普通物質粒子之間,除了引力之外還有其他交互作用嗎？
如果有作用,是基本交互作用中的某一種呢,還是存在其他作用？
▏如何探測WIMP粒子？
探測暗物質粒子WIMP的有兩種方案:
◎間接探測
間接探測方法,是基於暗物質粒子WIMP粒子和它的反粒子之間有可能發生湮滅的假設。透過探測WIMP粒子和它的反粒子湮滅後,生成一對能量相同的兩個正負電子、一對能量相同的伽馬射線、正反質子、正反微中子等,來探知WIMP。
◎直接探測
雖然將探測器安置在對撞機附近很容易實現,但也有很大的困難,例如普通粒子對撞產生WIMP的機率極小,千百萬次碰撞才可能產生一次、碰撞中同時會產生大量普通粒子,意味著要在大量普通粒子的背景中尋找WIMP等等。
▏讓本書帶領你,尋找宇宙過去與未來的終極解答
本書旨在向讀者深入淺出、圖文並茂介紹有關「暗物質」的基本知識,了解暗物質的來由,並從實驗的角度出發,討論探測暗物質的原理。
本書,就是你暗物質旅程的第一站。
