第三讲宇宙中的暗物质和暗能量

文章对暗物质粒子的候选者和宇宙中暗能量的研究现状作一简单介绍．     

暗物质候选者大观园

理论物理学家李政道把暗物质研究视为当代四大科学问题之一[1].在<暗物质与暗能量>一文[2]中曾简述了三个主要类别的暗物质候选者,本文除对这三类物质做必要的引申叙述外,还介绍多年来,一些理论工作者提出的各种形式的暗物质候选者,总称之为暗物质候选者大观园.     

WIMPs 暗物质

 暗物质是21 世纪宇宙学和粒子物理研究的热点问题。WIMPs 是一种流行的暗物质粒子候选者,即weakly interacting massive particles 的缩写,译为“弱作用重粒子”。目前我国计划中的暗物质粒子探测实验项目都是围绕着WIMPs 暗物质开展的。本文将详细地阐述与WIMPs 暗物质相关的基本问题,并力图澄清一些易于误解的概念。     

暗物质问题简介

暗物质的属性问题是当代物理学面临的一大挑战.文章简要回顾了暗物质的发现历史,已有的暗物质观测证据和粒子物理中的暗物质候选者以及暗物质丰度起源相关理论,还介绍了近年来暗物质的空间间接探测和地下直接探测及其在理论上研究的新进展.     

粒子物理和宇宙学中的两片乌云——谈暗物质和暗能量

宇宙暗物质和暗能量是21世纪粒子物理和宇宙学研究中的两个重大的科学问题.文章首先简述了宇宙学研究的历史和现状以及对粒子物理学提出的新的挑战,接着较详细地介绍了暗物质、暗能量和反物质相关的科学问题以及在国际上这个研究领域近年来所取得的进展,最后展望了中国在暗物质和暗能量实验探测研究方面的前景.     

SU(3)L×U(1)X模型和暗物质的新的候选者

提出了一个基于ＳＵ（３）Ｌ×Ｕ（１）Ｘ群的弱电相互作用模型．在该模型中,每一代轻子均包含两个中性粒子．计算了新的中性轻子（Ｎ粒子）的寿命,并估计了它的质量上限,从而说明Ｎ粒子可以看作暗物质的候选者．     

搜索暗物质

本文前半部分举例说明探测暗星系、星系中的暗物质和暗星,后半部分介绍国际天文界搜索弱相互作用大质量粒子(WIMP)的现状.     

量子史瓦茨黑洞和暗物质

引入Sommerfeld作用量量子化条件来处理Schwarzschild黑洞的量子化问题. 发现此类量子化黑洞存在一个质量为m_G=123m_p的基态，处于基态的量子Schwarzschild黑洞不再存在Hawking蒸发和任何其他辐射，可名之曰暗星. 它的存在不仅可以解决信息丢失的疑难，而且极可能是构成暗物质的主要候选者. 关键词： 量子史瓦茨黑洞 暗物质     

空间间接探测暗物质粒子

正在过去的几十年间,人类对于整个宇宙的认识有了飞跃式的发展,取得了辉煌的成就。基于近年天文观测的结果,一个暗物质暗能量暴涨的宇宙学标准模型被建立起来。我们的宇宙组成,如图1所示:已知的基本粒子只占整个宇宙的5%左右,而27%左右是不发光的暗物质,68%左右是类似真空能的暗能量。寻找暗物质粒子,研究暗能量的本质等,结合微观世界和宇观世界,结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪物理学和天文学的一     

暗物质简介

暗物质是当代物理学和天文学面临的一大挑战.文章介绍了暗物质的发现历史,暗物质存在的观测证据,以及已知的暗物质的基本性质.还介绍了广受关注的暗物质的候选者,以及目前暗物质探测实验的进展.     

SU(3)L×U(1)X模型和暗物质的新的候选者

提出了一个基于SU(3)_L×U(1)_X群的弱电相互作用模型.在该模型中,每一代轻子均包含两个中性粒子.计算了新的中性轻子(N粒子)的寿命,并估计了它的质量上限,从而说明N粒子可以看作暗物质的候选者.     

基于F-W暗物质模型的暗物质探测仪的设计思路

按F-W暗物质模型,暗物质之间有相互作用,能够形成暗天体.飞临地球的小暗天体会对已知物体有微引力效应.由此提出了暗物质小天体探测仪的设计原理,定量计算了飞临地球的暗天体通过探测仪时导致的力矩变化.     

暗物质理论研究进展

评述了天体物理中暗物质的发现以及标准模型所面临的问题,综述了解决这些问题及标准模型之外可能出现的新物理与暗物质的联系。介绍了暗物质粒子选择条件和可能的暗物质粒子的候选者;对圆柱形暗物质表面密度与星系和星系团暗物质晕的晕核半径的关系进行了讨论,与其他模型进行了比较,得出暗物质晕的特征半径r_*的暗物质表面密度分布不是一个普适量;并叙述了近几年暗物质研究中提出的新理论模型-Hidden dark matter,最后叙述了中国暗物质实验探测研究的进展,2016年底DAMPE的第一批数据有可能给出;中国锦屏地下实验室（CJPL）的CDEX和PandaX合作组的第一期实验没有发现暗物质粒子存在的信号,期待他们下期的实验。A review of the evidence of the dark matter found in universe and the problems faced by the standard model. To address these issues as well as the possible relationship between the new physics beyond the standard model and dark matter, and given the selection condition of dark matter and possible candidates of the weakly-interacting massive particles (WIMPs). The correlation between the column surface density and the halo core radius of the dark matter halos of galaxies and cluster of galaxies is discussed, and the other models are compared. We find that the surface density within the halo characteristic radius r* is not an universal quantity; The new model (hidden dark matter)proposed in the study of dark matter is described. At last, the research progress of dark matter experiment in China is commented. At the end of 2016, the first batch of DAMPE data may be given;No significant excess events of WIMPS were found in the first stage of both the CDEX and PandaX experiments located in the China Jinping Underground Laboratory(CJPL). Look forward to their the next stage of these experiments in CJPL.     

罕见中微子给“失踪的质量”设置了限值

目前,大多数天文学家认为宇宙正好横跨在有限和无限的界限上.恒星和星系等发光物质的质量总和远不能满足宇宙密度临界值的要求,因此应当存在着约10倍于发光物质总和的暗物质.这些暗物质是以其对亮物质的引力影响而被察觉的,但人们从未直接探测到它们.在许多形形色色的“失踪质量”中,两种奇异非重子粒子、中微子和弱作用质点(weakly iute-racting massive particles,简称 WIMPs) 是极可能的候选者.WIMPs指任何一种能够形成暗物质但作用不强的未知粒子的总称. 在美国南达科他州Homestake矿井深处,有两个探测中微子的装置.一个是由Brookh-…     

暗物质及暗物质粒子探测

文章首先对暗物质的概念作了简单介绍,接着介绍了暗物质的发现过程和暗物质存在的证据等.随后,介绍了目前人们对暗物质粒子基本性质的理解和目前比较流行的暗物质模型,并解释了弱相互作用重粒子(WIMP)为什么获得人们最多的关注.文中还简单介绍了目前探测暗物质粒子的三种实验方法:对撞机探测法、直接探测法和间接探测法.最后,介绍了目前暗物质探测的最新进展,包括来自DAMA,CoGent,PAMELA,ATIC,Fermi等实验的最新结果.     

非重子冷暗物质粒子的观测及其进展

简述了宇宙中的暗物质分类、候选者及对其观测研究的意义.综述了冷暗物质粒子观测方法与结果,及其发展趋势.特别评述了Beijing–Rome合作组DAMA的有关实验与新成果.给出作用截面与冷暗物质粒子质量参数平面内目前世界上最低的排除域,以及首例的冷暗物质粒子年调制效应:其平均值m>=0.037±0.008cpd/kg·keV,参量估计其质量约为60GeV/c²,这可能隐含着冷暗物质粒子的存在.为确认之,尚需更高统计量的验证和重复性的检验.     

搜寻小质量暗物质

人们传统上依赖大型设备来搜寻比质子还重的暗物质粒子,但最近正将目光转向对轻质量粒子敏感的小型实验。依据暗物质粒子与各种材料中电子或原子核之间的非弹性碰撞,新的探测方案拟搜寻所谓的亚GeV暗物质,其质量可低于质子质量的百万分之一。     

直接探测暗物质

 “暗物质”这个名字听起来有些神秘(其实还有听起来更神秘的“暗能量”,这超出了本文的范围。暗物质、暗能量并称为漂浮在当代物理学及天文学上空的两朵乌云)。从字面上来看,和暗物质对应的应该是“明物质”吧。虽然还没有人这么叫,但是其实“明物质”是对已知物质形态的一个很简单明了的形容,因为已知物质是由已知的基本粒子--夸克、轻子及其相互作用媒介子(包括光子、胶子、Z⁰、W^±以及尚未发现的引力子)--所构成的,这些基本粒子参与(或部分参与)四大相互作用--万有引力作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用,比如能发光或者发电,或者作用、衰变后的次级粒子能发光发电。光、电即电磁波和电流,实际是从宏观角度上说的,现代的探测器归根到底都是测光信号、电信号以及信号组成的径迹。     

基于一种暗物质模型对通古斯大爆炸的解释

本文基于其中一种暗物质模型对通古斯大爆炸给出了较详细的新解释,认为通古斯火爆炸是由可成团暗物质形成的暗天体飞临地球造成的。     

大尺度有效引力的E(2)规范理论模型

微波背景辐射的低l极矩的各向异性可能不能用微波背景辐射静止系boost到本动参考系来解释,我们推断boost对称性在宇宙学尺度上缺失,又由于单纯结合广义相对论和物质结构的标准模型不能解释星系以上尺度的引力现象,需要引入暗物质和暗能量.而迄今为止所有寻找暗物质粒子的实验给出的都是否定结果,暗能量的本质更是一个谜.因此,我们假设洛伦兹对称性是从星系以上尺度开始部分破缺,以非常狭义相对论对称群E(2)为例,用E(2)规范理论来构造大尺度有效引力理论,并分析了此规范理论的自洽性.从这些讨论中发现,当物质源即使为普通标量物质时,contortion也一般非零,非零contortion的存在会贡献一个等效能量动量张量的分布,它可能对暗物质效应给出至少部分的贡献.我们从对称性出发修改引力,有别于其他的修改引力理论.