暗物质粒子和宇宙线

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1、暗物质粒子和宇宙线北京大学物理学院 高崇寿 宇宙中的暗物质 暗物质的微观结构 宇宙线中新粒子的探寻云南宇宙射线站的奇特事例Kolar 金矿实验事例宇宙线中探寻新粒子Date1宇宙中冷暗物质和重子物质的平均密度 宇宙线中质子和质子、冷暗物质粒子碰撞 的平均自由程 暗物质粒子的碰撞产生 膝现象的一个可能来源Date2重元素中微子星体氢和氦暗物质暗能量7323宇宙物质的构成Date3宇宙中的暗物质宇宙中有许多星系螺旋状星云，这是 一些在万有引力作用下旋转的星系。观察其中 不靠近中心的某一部分的运动速度 v，按照力 学估算，引力等于向心力得出v2 r = GN M ( r )其中 M ( r ) 是星

2、云中处于这部分星体里面部分 的总质量，r 是到星云中心的距离。Date4如果星云质量比较集中在中心区，则外部星体 的速度应该随 r 的增加而减少。射电天文望远镜的发展使天文观测可以观测 星云中弥散的星际气体发的射电波，中性氢 ( H I ) 可以发射频率为1420 M Hz 的窄谱线，即 著名的 21 cm 波。通过 21 cm 波的观测给出 星云转动的速度分布。上一世纪 70 年代以后精确地观测给出星际 气体显示的星云中心区以外转动速度并不随 r 的增加而减少。Date5Date6Date7实际观测给出： (1) 直接观测到的星云的质量分布确实是中心 密、外面稀。 如果星云质量比较集中在中心

3、区，则外部 星体的速度应该随 r 的增加而减少。 (2) 许多星云的 v2 随 r 变化不大。 从观察到的 60 多个螺旋状星云来看，都显 示出在相当大的范围内（在几万光年或大于几 万光年的范围内），v 不随 r 变化。并且都在 一个典型值附近 v 每秒 200 公里。Date8NGC 3198 v 150 km / sNGC 6503 v 118 km / s银河系 v 220 km / s这表明实际上在相当大的范围内，星云中半 径 r 的球体区域内的总质量 M 随 r 的增加而增 加。实际上还有许多未被观测到的物质也在起 引力的作用，这些物质数量多，并且分布范围 比看到的星云的分布范围要大

4、。在这个范围内 ，螺旋状星云的总质量约为观测到的质量的 3 10 倍。Date9观察到的矮螺旋状星云 M33 的转动曲线伸展远远超出它 的光学像分布的区域范围Date10要给出这样的转动速度分布，可以假定星云 的全部物质体密度分布为太阳系在银河系里离银河系中心约 26000 光 年的地方，它绕银河系中心运动的速度是每秒 220 公里。这样估计出银河系中比太阳系更近 于中心部分的总质量为太阳质量的 900 亿倍。 实际观测到的星云中星体质量总和远小于这个 值，这表明星云的质量分布中，大量的质量是 暗物质。Date11实际上在银河系里物质总量的增长至少到 489300 光年的范围，含有的物质总质量

5、约为 15 x 1011 msun，即相当于太阳质量的 15 x 1011 倍。但银河系里明亮物质的质量总量不会 超过 1.2 x 1011 msun。所以我们银河系的质量 中超过 90 % 是暗物质。 暗物质：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。这是弥散状态存在的暗物质。Date12宇宙中还存在聚集状态的暗物质。 黑洞，是属于“暗物质”的星体。这类星体在 宇宙中存在，但暗物质星体的总量在宇宙中物 质的总量中是一个很小的百分数。 通常说的暗物质就是指以弥散形式存在的 非重子物质的暗物质。大量存在的是弥散形式存在的暗物质，其 构成不是来自重子物质，它们的总质量至少比 明亮物

6、质的总和还要大一个数量级，即 10 倍 以上。Date13暗物质的微观结构非重子物质的暗物质的微观结构：是由电中 性的、有静止质量的、稳定的或其平均寿命长 于宇宙年龄的粒子结团构成。这些粒子不直接参与电磁相互作用，但可以 参与弱相互作用。弥散形式存在的暗物质可以分为热暗物质和 冷暗物质。冷暗物质是其组成粒子以低速运动的暗物质 。Date14热暗物质是其组成粒子以接近真空光速运动 的暗物质。宇宙中的暗物质大部分是冷暗物质。暗物质粒子是什么粒子？从标准模型中给出的粒子中，如果中微子有 静止质量，则可能是“热”暗物质粒子。2002 年诺贝尔物理奖授予雷蒙德戴维斯（ Raymond Davis）和小柴

7、昌俊（Masatoshi Koshiba），以表彰他们在发现中微子振荡现 象方面做出的先驱性贡献。Date15中微子振荡现象的存在说明中微子有不为零 的静止质量，中微子的静止质量可以很小，但 是肯定不为零。有质量的中微子可能是热暗物 质粒子。但标准模型中没有一种粒子可以是“冷”暗物 质粒子的候选者。宇宙中大量存在的，其总量比明亮物质大一 个数量级的暗物质的主要部分冷暗物质的微 观组成粒子冷暗物质粒子还有待探寻和发现 。Date16宇宙线中新粒子的探寻云南宇宙射线站的奇特事例 Kolar 金矿实验事例 宇宙线中探寻新粒子Date17云南宇宙射线站的奇特事例宇宙中非重子物质的暗物质总量比重子物质

8、的总量要大一个数量级。在原始宇宙射线中可能也包含了非重子物质 的暗物质粒子的成分，可以在高能宇宙射线的 实验中探测寻找暗物质粒子。暗物质粒子是中性的、不直接参与强相互作 用和电磁相互作用，可以参与弱相互作用，其 相互作用性质像一个重的中微子，和重子物质 的相互作用很弱，从而很难直接探测和观察。Date18如果高能暗物质粒子和重子碰撞，通过弱相 互作用反应，将会产生带电粒子从而被观察到 。这样的碰撞反应表现为像是一个高能重中微 子引起的反应。1972 年云南落雪山宇宙射线站观察到一个 奇特的事例：从宇宙线中来一个能量大于 300 GeV 的粒 子，和石蜡中粒子碰撞，产生 3 个带电粒子：a 介子

9、b p 质子c 质量远重于质子，寿命很长，已知粒 子中没有一个具有这性质。Date19如果碰撞后没有未被记录到的中性粒子，则 这个新的带电重粒子的性质为：质量 m 43 GeV; 寿命 t 0.406 x 10-9 sec.如果 C+ 不稳定，则它应可作弱衰变C+ C0 + e+ + neC+ 寿命长于 0.406 x 10-9 sec 要求m+ - m0 42.7 GeV.Date20这个 C+ 实际上可能就是宇宙线中 C0 粒子和 石蜡中的质子 p 碰撞产生的。C0 粒子的性质符合冷暗物质粒子的全部要 求。无论是观察到的 C+ 还是推测其可能存在的 C0，都肯定是超出标准模型的粒子。可惜只

10、有一个事例，还不能做判定。Date21Kolar 金矿实验事例1975 年和 1979 年印度和日本物理学家合作 在印度 Kolar 金矿矿井中做超高能中微子引起 的反应，观察到了 7 个奇特事例。当时他们把这些事例解释为超高能中微子引 起的反应，产生了一些质量大于质子 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，表现为两个能量分别约为 100 GeV 和 80 GeV 的簇射，它们之间的夹角 是 26 度。Date22如果这事例是来自一个重粒子的衰变，则这 个重粒子的质量的下限是40.2 Ge

11、V。如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞， 不先验地假定是由零质量的中微子引起的反应 ，则定出这个入射粒子质量的下限是35.8 GeV 。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，其质 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。Date23宇宙线中探寻新粒子既然宇宙中暗物质的总量比重子物质大一个 数量级，因此在宇宙太空中弥漫着大量的暗物 质。原始宇宙射线粒子来自太空穿行于暗物质 粒子之间，不断和暗物质粒子发生碰撞。这样的热交换的后

12、果，使太空中的暗物质粒 子的平均能量大体上等于原始宇宙射线粒子的 平均能量。在大量原始宇宙射线粒子射向地球 时，还有大量相同能量的暗物质粒子也射向地 球。可以在原始宇宙射线中探寻这种未知的新粒 子。Date24可以估计这种新粒子的性质和行为：它们可能 是中性的或带电的；它们的质量很重，很可能是 质子的几十倍；动能比较大，是原始宇宙射线粒 子能量的量级。取云南宇宙射线站事例作为一个典型值的估计 ：如果这种新粒子的质量为 50 GeV ，动能为 300 GeV ，则这个粒子的动量为 296 GeV ，运 动速度为 0.956 c ；如果这种新粒子的质量为 100 GeV ，则这个粒子的动量为 28

13、3 GeV ，运 动速度为 0.943 c ；但是如果这种新粒子的质量 为 150 GeV ，则这个粒子的动量为 260 GeV ， 运动速度为 0.866 c 。Date25再对 Kolar 金矿事例做一个估计：如果这种 新粒子的质量为 40.2 GeV，则这个粒子的能 量约为 180 GeV，运动速度约为 0.976 c。由此可见，需要探寻的是能量很高、质量很 重、运动速度小于真空光速，有可能远小于真 空光速的、带电或中性的超出标准模型的新粒 子。已经建立了我国科学家发起组织的国际合作 组 L3C，正在日内瓦进行在高能宇宙线物理实 验中探测寻找新粒子的国际合作研究。Date26宇宙物质的构

14、成 暗能量：很可能不以 微观粒子聚集形式出 现。 冷暗物质：主要是冷 暗物质粒子聚集组成 。 重子物质：主要是质 子、电子，还有少量 原子核。Date27宇宙中冷暗物质和重子物质的平均密度宇宙中暗能量的密度大约为 3.878 GeV / m3 。即 相当于每立方米有 4 个质子的静止能量。这是宇宙真 空中固有的能量密度。作为对比，宇宙中暗物质的平 均密度大约为 1.222 GeV / m3 。宇宙中重子物质的平 均密度大约为 0.2125 GeV / m3 。尽管重子物质和暗物质比暗能量少得多，但它们 都是可以移动、聚集的，它们可以聚集成星体星云。至于粒子数密度，则为：冷暗物质粒子数平均密度

15、1.222 ( GeV / MX ) / m3 重子物资粒子数平均密度 0.2265 / m3 由于冷暗物质粒子质量远重于质子，冷暗物质粒 子数平均密度远小于重子物质粒子数平均密度。山西大学物理电子工程学院 2004.4.14.Date28宇宙线中质子和质子、冷暗 物质粒子碰撞的平均自由程 宇宙中的物质构成主要是冷暗物质和重子物质。 宇宙中物质的微观构成粒子主要是冷暗物质粒子 和质子。 原始宇宙线粒子主要是质子，它和质子碰撞的平 均自由程是它和冷暗物质粒子数密度碰撞的平均自由程是 Date29在宇宙中传播时，质子和质子碰撞的平均自由程 约是这表明如果宇宙是均匀分布的质子气体，则这个 质子在穿过

16、整个宇宙时平均只碰撞一次。质子 和暗物质粒子碰撞的平均自由程数量级上远大 于这个值，质子在穿过整个宇宙时基本不和暗 物质粒子碰撞。Date30暗物质粒子的碰撞产生高能宇宙线质子碰撞可以产生暗物质粒子。它的 产生是成对产生的。最简单的过程为：考虑高能质子碰撞接近静止的质子，产生一对冷 暗物质粒子的反应 计算产生这个反应入射质子的阈能量E。这时入 射质子的动量为 ，系统的质心系 总能量的平方为 宇宙物质的构成Date31它应该等于末态粒子质量和的平方，即其中冷暗物质粒子的质量为 ，由此得到即考虑高能质子碰撞接近静止的冷暗物质粒子，产 生一对冷暗物质粒子的反应 计算产生这个反应入射质子的阈能量E。这时入 射质子的动量为 ，系统的质心系总 能量的平方为Date32它应该等于末态粒子质量和的平方，即由此得到 即宇宙中物质主要的微观结构是质子和暗物 质粒