中科院首次发现暗物质粒子湮灭的可能证据

2008年8月27日，哈勃太空望远镜与钱德拉X射线天文台拍摄的距地球570万光年距离的暗物质与普通物质发生碰撞的清晰分割图。

在南极探测暗物质粒子的试验气球

北京日报11月21日报道 利用美国南极长周期气球项目(ATIC)，经过10年观测研究，中科院紫金山天文台研究人员常进与外国同行合作发现一些不明来历的高能电子可能是暗物质粒子湮灭的证据。

11月20日出版的《自然》(Natrue)杂志发表了常进与美国、俄罗斯、德国等国科学家在高能电子观测方面取得的重大研究成果——《宇宙电子在3000亿-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》。

如果这一成果被进一步证实，这可能会是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据，将是现代物理学的重大突破。

暗物质——世纪之谜

在现代天文学界和物理学界，有一个被科学家称为“世纪之谜”的问题待解，它也是困扰现代物理学发展的一个重大难题，这便是暗物质，暗物质的本质到现在还不清楚。

1937年，天文学家弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其它引力。天文学家进一步推断，在人类已知的宇宙物质之外，还有一种物质存在。

此后70多年的研究、分析均表明，这一至今未被人们观测到的物质即“暗物质”在宇宙中存在，而且其在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。紫金山天文台空间天文实验室主任常进介绍，最新天文观测表明，宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。宇宙“暗”的一面，主宰了整个宇宙。

常进表示，尽管多年来的天文大尺度观测结果间接验证了暗物质的存在，但物理上直接的观测证据到现在还没有找到。也就是说，直到目前为止，人类还不知道暗物质究竟以怎样的形式存在，它们或许是以粒子的形式存在，或许以别的人类未知的形式存在……

暗物质研究是目前的科学前沿。暗物质粒子探测意义重大，成为目前国际上空间探测的热点。欧洲与俄罗斯耗费数亿美元，联合研制了磁谱仪探测器“PAMELA”(反物质探测器)。该探测器希望通过观测正电子寻找暗物质粒子湮灭的证据。

常进说，一旦发现其存在的形式，那将是现代物理学的重大突破，人类的天文、物理教科书也将随之改变。

不明来源高能电子

国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱是空白，常用的空间磁谱仪方法技术复杂，价格昂贵。紫金山天文台空间天文实验室一直在探索寻求一种简单有效的观测高能电子的方法。

美国南极长周期气球项目“ATIC”(先进薄电离量能器)本来的主要科学目标是观测高能宇宙线，电子和伽马射线不在其列。1998年，常进与“ATIC”接触，提出用“ATIC”的设备观测高能电子和伽马射线。经过多次沟通，常进的建议被“ATIC”接受。

2000年底至2001年初，经过改造后的“ATIC”观测设备在南极升空观测高能电子。常进介绍，首次观测非常成功，他们获得了大量高能电子的数据。但经过计算和研究后发现，他们所观测到的高能电子的流量与目前学界已掌握的情况有较大差异。

据了解，以往学界普遍认为太阳系附近的高能电子主要来源于超新星遗迹，并建立了太阳系高能电子流量模型。可他们获得的高能电子的流量远远超出了模型预计的流量。这意味着高能电子还存在别的“起源”。

不明来源的高能电子究竟来自何处？常进告诉记者，这有很多种可能，经过分析，他们发现观测结果与目前暗物质理论模型相吻合。表明这些不明来源的高能粒子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。这样的研究结果让研究团组非常激动，但课题组认为还需要对这一结果进行多次观测验证。

此后的7年中，常进与合作者在南极进行了3次观测(其中1次因气球漏气失败)。加上此前的观测，他们共观测到3000多万个宇宙线粒子，经过层层筛选，他们找到210个高能电子。在翔实的数据面前，研究人员在说服自己的同时，也得到了业内人士的认可。

今年5月，常进与合作者将他们的研究论文向《自然》杂志投稿。《自然》经过多轮考察，接受了常进的论文，并以介绍论文第一作者的形式对常进进行了专访，刊登在同期刊物上。

发现暗物质粒子湮灭证据？

记者了解到，在论文发表前，常进的研究成果已在国外科学界引起震动。随着《自然》杂志相关文章和评论的刊出，这一成果将引起越来越多人关注。

美国费米国家实验室教授敦胡培接受《自然》杂志记者采访时表示，“ATIC”数据与“Pamela”在不久前公布的数据吻合很好，从“ATIC”测量结果看，目前的探测结果更像暗物质粒子湮灭。

英国爱丁堡大学教授泰勒表示，即使最后证明该“超”不是暗物质产生，“ATIC”观测对解决宇宙线起源这一未解之谜也意义重大。

“当然这些还待进一步观测研究去检验，”常进说，一旦被证实，那就意味人类首次发现了暗物质存在的形式，这将是现代天体物理学的重大突破。

常进表示，目前高能电子的观测精度还可以进一步提高，并不排除这些不明来历的高能电子是来自于太阳系附近的特殊天体。即使这样，这也是人类第一次直接观测到来自于“特殊天体”的高能电子。

常进告诉记者，他们的研究刚刚开始，要想得出最终的结论还有很长的路要走。今后，他与研究团队将进一步提高观测设备精度，以期得出更加翔实的数据，找到更为充分的证据。

（新华社记者蔡玉高）

背景小资料

湮灭

一对正、反粒子相遇时，会同时消失而完全转化为能量，这种现象叫做湮灭。

正、反粒子

在原子核以下层次的物质的单独形态以及轻子和光子，统称粒子。在历史上，有些粒子曾被称为基本粒子。

所有的粒子，都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，称为该种粒子的反粒子。如带负电荷的电子e-的反粒子是正电子e+，质子p的反粒子是反质子，中子n的反粒子是反中子。各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。

迄今，已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。