暗物质:底漆

文摘

暗物质是宇宙中一大未解之谜之一目前。大约80%的宇宙引力是不发光的,和它的性质和分布在很大程度上是未知的。在本文中,我们将概述历史,天体物理证据,候选人,和暗物质的检测方法,给读者一个访问目标但严格的介绍暗物质的难题。本文目标先进的学生和研究人员新领域的暗物质,并包括一个广泛的引用列表进行进一步的研究。

1。介绍

二十世纪最突出的启示之一的我们对宇宙的认识,普通重子,也就是说,物质由质子和中子组成,不是宇宙中物质的主要形式。相反,一些奇怪的新形式的物质,被称为“暗物质”,填满我们的宇宙,这是大约五倍比普通物质更丰富。虽然我们还没有检测到这个奇怪的材料在实验室里,有大量的证据,指出其存在的必要性。

一个完整的理解暗物质需要利用多个分支的物理学和天文学。建立暗物质在炎热的宇宙膨胀的理解通过统计力学和热力学。暗物质粒子物理学需要提名候选人并探索其可能的交互与普通物质。广义相对论、天体物理和宇宙学决定暗物质徒大尺度宇宙如何可能被视为一个实验室研究暗物质。许多物理学其他领域发挥作用,使研究暗物质的多样性和跨学科领域。此外,地面和卫星测量的缤纷近年来迅速先进场使其动态和及时;我们是真正进入“精确宇宙学”的时代。

本文旨在给出一个总体概述适用于非专家的暗物质的主题;我们希望把这迷人的和重要的话题,非专业人士将获得一个坚实的基础和暗物质。有时很难找到可以理解和适当的文献对个人没有背景。现有的评论都是公众层面作品太一般的或专门为该领域的专家,激励我们创建一个可访问的概述。我们特别希望本文有助于研究生开始他们的研究的暗物质和其他物理学家和天文学家谁愿意了解更多关于这一重要话题。

给这样一个介绍暗物质,我们将首先简要解释第一个暗示暗物质存在,详细说明积累的物理学家和天文学家们强有力的证据在过去的几年中,讨论中性伴子和其他可能的候选人,并描述各种检测方法用于探测暗物质的神秘的属性。尽管有时我们会关注超对称理论的暗物质,其他的可能性将介绍和讨论。

2。历史和早期的迹象

天文学家长期以来依靠测光收益率估计质量,特别是通过定义良好的质量光度比率()。这一点也不奇怪,因为视觉天文学依赖从远处的物体发出的光。例如,比太阳公斤/ W;因为这个数字并不特别有益的,一个通常措施质量光度的太阳的质量和亮度等通过定义。因此通过测量一个物体的光输出(例如,一个星系或星系团)可以使用定义良好的比率来估计物体的质量。

在1930年代早期,奥尔特发现银河系中恒星的运动暗示星系质量远远超过任何人的存在之前预测。通过研究多普勒频移的恒星移动在银道面附近,奥尔特能够计算出速度,因此惊奇地发现星星应该足够迅速逃离的发光质量星系的引力。奥尔特推测,一定有更多的质量现在银河系持有这些恒星的轨道。然而,奥尔特指出,另一个可能的解释是,85%的光从银河中心被灰尘和物质或干预的速度测量恒星的问题只是在错误1]。

大约在同一时间奥尔特让他发现,瑞士天文学家f·兹维基发现了类似的失踪的迹象,但在一个更大的规模。兹维基研究了集群昏迷,距离地球约99 Mpc(3.22亿光年),,用观察到的星系光谱能够计算多普勒变化速度色散集群星系的昏迷。了解个人的速度分散星系(即动能),兹维基采用维里定理来计算集群的质量。假设只有引力相互作用和牛顿引力(),维里定理给出了以下动能和势能之间的关系: 在哪里平均动能和吗平均势能。兹维基发现集群的总质量)。因为他观察到集群中大约1000星云,兹维基计算,平均每个星云的质量。这个结果是令人吃惊的,因为测量的质量集群使用标准比星云给集群大约2%的总质量的价值。从本质上说,星系只占一小部分的总质量;绝大多数的后发座星系团的质量是出于某种原因“失踪”或不发光的(虽然不知道兹维基,大约10%的集群质量是包含在星团内气体稍有缓解,但并不能解决的问题缺少质量)(2,3]。

大约40年奥尔特发现后,兹维基,和其他人,Vera Rubin和合作者进行了广泛研究60孤立星系旋转曲线的(4]。星系是在这样一种方式,这样的材料选择的一侧星系核接近我们的星系,而材料另一边后退;因此,分析谱线(多普勒频移)给区域的目标星系的自转速度。此外,谱线的位置给了角点的距离信息从星系的中心。理想情况下一个将目标个人明星来确定他们的旋转速度;然而,个人遥远星系中恒星太微弱,所以鲁宾使用云的天然气丰富的氢和氦炙热的恒星周围旋转配置文件的路径。

假设一个星系内部恒星的轨道将密切模仿我们的太阳系内行星的旋转。在太阳系内, 在哪里是对象的旋转速度半径,是引力常数,中包含的总质量吗(太阳系太阳质量本质上),这是源自简单设置重力等于向心力(行星轨道被近乎圆形的)。因此,,这意味着身体旋转的速度应该减少为中心的距离增加,通常称为“开普勒”行为。

鲁宾的结果显示一个极端偏离预测由于牛顿引力和发光物质分布。收集到的数据显示,恒星的旋转曲线是“平”,即恒星的速度继续增加与距离银河系中心,直到他们达到一个极限(如图1)。一个直观的方法来理解这个结果是通过一个简化的模型:认为银河系是一个统一的质量和高斯定律申请范围重力(直接类比与电场的高斯定律) 左手边的引力场通过封闭曲面的通量和右边总质量成正比封闭的表面。如果像高斯表面的半径的增加,越来越多的大众在封闭,然后引力场将增长;这里速度可以增加或保持不变是半径的函数(具体的行为取决于质量)。然而,如果封闭质量下降或保持不变作为高斯表面生长,然后引力场将下降,从而导致越来越小的旋转速度增加。星系的中心附近的发光质量集中落在前状态,而在星系的外围,没有添加额外的质量(大多数星系的质量在中央隆起)一个预计的情况是后者。因此,如果旋转速度保持不变与半径,增加质量内部半径必须增加。由于发光的密度质量下降过去的星系的中央凸起,“失踪”的质量必须是不发光的。鲁宾总结”,不可避免的结论是:质量,与光度不同,不是集中在螺旋星系的中心。因此光分布在一个星系质量分布不是一个指南》(4]。

在1970年代,另一种方法来探测暗物质的数量和分布:发现了引力透镜效应。引力透镜效应是由于爱因斯坦的相对论理论假定宇宙存在于一个灵活的时空。对象具有质量这种织物弯曲,影响身体周围的运动(对象遵循这个曲面上测地线)。行星绕太阳的运动可以解释通过这种方式,就像水分子如何圆空排水。光的路径也同样受到影响;当遇到巨大的物体光弯曲。引力透镜的影响,宇宙学家们寻找相对较近,巨大的对象(通常是一个星系团)在一个遥远的,明亮的物体(通常是一个星系)位于(有实际最优lens-observer分离,所以这必须考虑)。如果遥远的星系直接在集群中,一个完整的“爱因斯坦环”会出现;这看起来很像一个圆心,中心越近的环有透镜的图像对象和更遥远的对象。然而,适当的可能性两个明亮的和远处的物体排开与地球很低;因此,扭曲的星系通常表现为“arclets”,或部分爱因斯坦环。

1979年,沃尔什等。首先观察这种形式的引力透镜效应。基特峰国家天文台工作,他们发现两个遥远的对象仅相隔5.6弧秒非常相似的红移,大小和光谱(6]。他们得出的结论是,也许他们看到两次相同的对象,由于透镜的近,巨大的对象。类似的观察是由林德和诉彼得罗森在1988年,他们看到了多个arclets集群内(7]。

我们可以研究一个遥远星系的扭曲的形象,使结论的质量在一个透镜集群使用这个表达式“爱因斯坦半径”(半径arclet的弧度) 在哪里引力常数,镜头的质量,是光速,,,镜头和源之间的距离,距离镜头,和源之间的距离(注意:这些距离角径的距离不同于我们的“通常”距离的概念,叫做“适当的距离,由于宇宙的扩张和曲率)。物理学家发现,这个计算质量是4比质量大得多,可以推断出从集群的光度。例如,Abell 370透镜,伯格曼,彼得罗森,林德的决定集群的比率必须太阳能单元,需要大量的暗物质的存在在集群以及将限制其集群中的分布(8]。

3所示。现代的理解和证据

3.1。微透镜

来解释暗物质物理学家首先转向天体物理对象由普通,重子(物质的类型,我们看到每一天,是由称为夸克的基本粒子,在部分我们将讨论进一步的细节4)。因为我们知道暗物质必须“黑暗、20”可能的候选人包括棕矮星、中子星、黑洞、和不相联系的行星;所有这些候选人可分为男子气概(大规模紧凑的光环对象)。

寻找这些对象两个合作,男子气概协作和EROS-2调查,寻找引力透镜(一个遥远物体的亮度变化由于附近的一个对象)的干扰造成的可能的男子气概在银河系晕。(其他协作研究,如恐鸟,眉目传情,和SuperMACHO9- - - - - -11])。男子气概协作煞费苦心地观察和统计分析这种透镜的天空;研究了1190万颗恒星,只有可能的透镜事件检测(12]。EROS-2调查报道,2007年4月更少的事件,观察明亮的恒星只有700万的样本一个透镜候选人发现(13]。这种低一些可能的男子气概只能占一个很小比例的无光的质量在我们的银河系中,表明,大部分暗物质无法强烈集中或重子的天体物理对象的形式存在的。尽管微透镜调查排除重子的对象像棕矮星,黑洞和中子星在我们银河晕,可以其他形式的重子暗物质组成的大部分?令人惊讶的是,答案是否定的,并且支持其主张的证据来自大爆炸核合成(BBN)和宇宙微波背景(CMB)。

3.2。宇宙的证据

BBN是一段从几秒到几分钟在早期的宇宙大爆炸后,宇宙热当质子和中子融合在一起形成氘,氦,微量的锂和其他光元素。事实上,BBN是宇宙中最大的氘氘发现或产生明星几乎是立即销毁(通过融合成他);因此,宇宙中存在大量的氘可以被认为是一个“下限”的氘量由大爆炸。因此,考虑到遥远的氘氢比例,primordial-like地区低水平比锂重的元素(一个迹象表明这些区域没有明显改变自宇宙大爆炸),物理学家们可以估计D / H后直接丰富BBN(看的比率是很有用的一个特定元素的丰度相对于氢)。使用核物理和已知的反应速率,BBN元素丰度可以从理论上计算;大爆炸模型的成功之一是精确的协议理论和观测这些光元素丰度的决定。图2显示理论元素丰度计算BBN代码nuc123相比,实验范围(14]。事实证明,D / H比值是严重依赖整个宇宙中重子密度,所以测量D / H的富足让整个重子的富足。这通常是由,在那里是重子密度相对于参考临界密度(),公里交会⁻¹货币政策委员会⁻¹(哈勃常数降低,这是由于使用大型历史宇宙的膨胀率的不确定性)。Cyburt计算两种可能的值根据氘观察是什么:和,我们将只占约20%的总物质密度(15]。

招商银行,发现1964年彭齐亚斯和威尔逊(但推断他人更早)作为一个多余的背景温度约为2.73 K,是另一种方式,我们可以了解宇宙的组成(16]。立即在大爆炸后,宇宙是一个极其稠密等离子体的带电粒子和光子。这个等离子体经历了最初的快速扩张,然后扩展以较慢,降低速度,冷却大约380000年,直到达到所谓的重组的时代。此时,中性原子形成,宇宙变得透明电磁辐射;换句话说,光子,一旦锁定带电粒子的相互作用,可以畅通无阻地通过宇宙旅行。这个“散射”存在的光子释放今天宇宙微波背景。

COBE(宇宙背景探测器)于1989年发起,招商银行的验证两个基本属性:)宇宙微波背景非常均匀的在天空中(2.73 K)和()招商银行,因此早期宇宙,是一个近乎完美的黑体(印证了使用统计热力学描述早期宇宙)。虽然宇宙微波背景是非常统一,COBE的微分微波辐射计(DMR)发现在第一年基本各向异性在宇宙微波背景(波动),超出了信号由于我们运动相对于宇宙微波背景帧和前景,如排放在银河系尘埃。这些基本的波动是由于两种不同的效果。大规模的波动可以归因于Sachs-Wolfe效应:低能量光子观察今天从当时更密集的地区的散射(这些光子,一旦发出,失去了能量逃离更深的引力势井)。在小尺度上,宇宙微波背景各向异性的起源是由于所谓的声振荡。光子分离之前,质子和光子可以建模为一个photon-baryon流体(因为电子少了很多质量比我们这里可以有效地忽视他们的重子)。这种液体有效地通过以下循环:()流体压缩分为重力,()流体的压力增加,直到它迫使流体向外扩张,()流体的压力降低,因为它扩大到地心引力的作用,和(重复这个过程,直到光子解耦。根据位置周期的一部分流体在光子解耦,光子在温度出现变化。宇宙微波背景辐射的涨落因此初始密度扰动的迹象,允许早期形成的重力井以及photon-baryon流体动力学。以这种方式招商银行依赖的温度波动的重子宇宙重组的时候。

虽然在宇宙微波背景波动的检测是一个重大成就,温度变化的幅度让科学家们感到困惑。这些基本的宇宙微波背景的波动非常小,只有μK,这意味着宇宙微波背景是1参与10制服⁵。事实上,这些波动太小只占结构形成的种子(17];从本质上说,鉴于CMB波动的大小,我们今天所看到的宇宙的结构不会有时间。问题是时间:普通物质时代的电荷中性复合了,和在此之前,由于静电力,物质不能有效聚集成重力井开始形成结构。COBE结果显示需要一个电中性的物质形式,可以启动之前结构形成过程重组。

威尔金森微波各向异性探测器(威尔金森微波各向异性探测器)是2001年启动的任务更精确地测量宇宙微波背景辐射的各向异性。位于日地L2点(距离地球约一百万英里),卫星已经连续数据(最近发布了七年的分析操作)和能检测温度变化小1000000度。由于WMAP角分辨率的增加(通过使用计算机代码可以计算宇宙微波背景各向异性现象给出基本参数如重子密度)我们现在知道和重子密度从威尔金森微波各向异性探测器(18]: 在哪里是总物质密度,重子密度。第一个重要的观察是这两个数字是不同的;重子不是唯一形式的物质宇宙。事实上,暗物质的密度,大约83%的总质量密度。在当地,这对应于平均暗物质的密度电子伏特/厘米³≈5×10⁻²⁸公斤/米³在太阳的位置(增强了约10倍⁵整个宇宙中暗物质密度相比,由于结构形成)。招商银行允许的分析之间的歧视暗物质和普通物质,正是因为这两个组件di_erently行动;暗物质占大约85%的质量,但与重子,它不是与光子的一部分”photon-baryon流体。“图3演示了这一点非常好;很小的重子密度变化导致微波背景各向异性功率谱(图形描绘宇宙微波背景各向异性的方法)是完全符合威尔金森微波各向异性探测器和其他宇宙微波背景辐射的实验数据。

宇宙大尺度结构的分析也产生暗物质的证据,帮助打破简并出现在宇宙微波背景数据分析。通过计算使用他们的星系红移的距离,宇宙学家已经能够在地图上标出的近似位置超过150万个星系。例如,斯隆数字巡天(SDSS)创建的3 d地图900000多星系,120000类星体,400000颗恒星在其8年的操作(19]。事实上,星系计数有长在宇宙学和重要的历史;在1950年代和60年代galaxy电台计数提供了最早的,确凿的证据对稳态模型。但是星系如何计数给暗物质的证据吗?正如前面所讨论的,当前的宇宙结构是由于初始密度波动作为种子结构形成放大了暗物质的存在。最可能的这些初始密度扰动源的量子涨落放大了通货膨胀,一段时期的早期快速指数增长大约10⁻³⁵秒大爆炸后。假设这些高斯随机波动,一个函数,功率谱能充分描述密度扰动。从这里一个给定的理论上可以用来计算大型结构。这些陈述是真的,当然,只统计。此外,反过来也是如此:通过测量大型结构(星系数量和调查)可以通过实验确定功率谱。从星系调查得到的功率谱,总物质的量和重子可以发现:的顶峰敏感的价值,重子的数量对的形状的影响(通过重子的声振荡,过度的星系分离在某些距离由于pre-recombination等离子体声波)(20.]。使用这些技术,最后一项研究2 df星系红移功率谱的调查发现和;研究基于SDSS的数据了和(21,22]。注意,这些结果同意招商银行和BBN预测。

N身体模拟大型结构是另一种工具,被用来证明暗物质的必要性。这些模拟通常需要几周才能完成超星系团;例如,MS-II跟踪超过100亿粒子,每个代表h⁻¹米_⊙(100卷h⁻¹Mpc)³研究暗物质晕结构和形成23]。同样,迪马特奥et al。运行模拟来研究黑洞的作用在结构形成使用20 - 200粒子的体积(33.75 h⁻¹Mpc)³(50 h⁻¹Mpc)³(24]。身体模拟证实暗物质的必要性。仿真没有暗物质不形成了熟悉的灯丝和空类型结构的可观测宇宙SDSS和其他调查在适当的时间尺度。此外,场景运行暗物质是相对论或“热”发现结构形成延迟或“褪色”,而不是增强;因此不仅需要暗物质,但更确切地说,暗物质期间必须“冷”或非相对论的结构形成25,26]。

3.3。最近的证据

最近的证据被誉为“确凿”暗物质来自于子弹状星系团,subcluster的结果(“子弹”)与大星系团相撞1 e 0657 - 56。在碰撞过程中,通过两个集群内的星系彼此没有相互作用(一个典型的星系之间的距离大约是一个百万秒差距,或326万光年)。然而,大多数集群的重子的质量存在于星系之间的极热气体,碰撞和集群(约为每小时六百万英里)压缩和冲击加热气体;因此,大量的x射线辐射发射已通过美国宇航局的钱德拉x射线天文台观测到。比较这种辐射的位置(一个指示的位置大部分重子的大规模集群)映射的弱引力透镜(一个指示的位置大部分的总质量集群)显示了一个有趣的差异;领域的强大的x射线辐射和最大的质量浓度通过引力透镜效应是不一样的。大多数的大规模集群的nonbaryonic和重力“点”回到这个失踪的质量(27]。

星系团称为mac j0025.4 - 1222是一个强大的碰撞的第二个例子两个集群分离两个集群内的发光和暗物质。2008年中期,Bradačet al。发现问题的行为在这个集群是子弹状星系团的惊人地相似;暗物质通过碰撞而发出的星际气体相互作用和x射线。这些结果重申的子弹状星系团和无碰撞的暗物质(以及严重制约MOND理论(见附录MOND理论的简要描述)(28]。

2007年5月,美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜(HST)发现暗物质的环状结构,引起另一个的两个巨大的星系团碰撞到二十亿年前(29日]。两个集群中的暗物质向中心倒塌,但有些就开始“泼”退出,导致现在有环形结构。重叠与重子的引力透镜质量的分布结合集群(就像子弹状星系团)显示发光和暗物质之间最大的差异。

2009年初,硬币等。发布的一项研究结果从一个HST英仙座星系团的调查,这是位于距离地球约2.5亿光年。他们注意到小矮人球状星系是稳定而大星系被潮汐力撕裂造成的集群的潜力,这一迹象表明,大量的暗物质可能是矮星系在一起。通过确定所需的最小质量这些矮星系集群生存潜力,硬币等。能够计算出所需的暗物质在每个星系。他们专门研究集群中的25个矮球状星系,发现12需要暗物质为了生存的潮汐力集群中心。

总之,暗物质的证据在音阶从矮星系、星团到宇宙中最大的尺度是引人注目的。多行之间存在显著的协议需要冷暗物质的证据。建立需要暗物质,在下一节中我们将讨论可能的暗物质粒子候选人以及如何超越标准模型理论是必要的来解决这个难题。

4所示。粒子的候选人

尽管暗物质的存在受到了多方面的证据,暗物质的确切性质仍然是难以捉摸的。暗物质候选者一般被称为弱作用大质量粒子(质量弱相互作用粒子);换句话说,他们是电中性的大规模粒子不强烈与其他物质相互作用。在本节中,我们将探讨一些可能的暗物质粒子候选人和背后的理论。但首先,我们给简要回顾粒子物理学的标准模型。

4.1。标准模型和中微子

标准模型(SM)是量子场论描述自然界中四种基本力的三个:电和磁、弱核力,强核力。引力相互作用不是SM的一部分;在能量低于普朗克尺度重力不重要在原子水平。有16个证实粒子在SM,七是预测的模型实验在他们被发现之前,和一个粒子尚未见过:希格斯玻色子,这被认为是希格斯场的中介负责给所有其他SM粒子质量。在SM,有六个夸克(,,顶部,底部,魅力,和奇怪的),六轻子(电子、μ、τ,和各自的中微子),和五个迫使航空公司(光子,胶子,,和希格斯玻色子)。夸克和轻子被归类为费米子与半整数自旋,分为三代,迫使航空公司在哪里列为衡量玻色子与整数自旋。这些粒子也有一个对应的反粒子,表示为一个酒吧(例如,反夸克的符号相反),电荷。表1安排SM基本粒子和它们的一些基本素质。

SM粒子的相互作用服从典型的动量和能量守恒定律以及守恒定律等内部测量对称电荷守恒,轻子数,等等。该模型已被深入研究能量的1伏特的电压,导致的结果的精密测量电子的反常磁矩(类似于纽约和洛杉矶之间的距离测量人类头发的宽度)。

最后一个未被发现的粒子,希格斯玻色子,被认为是非常巨大的;提供最新的界限和DØ协作Tevatron限制希格斯粒子的质量两个区域:114 - 160 GeV和170 - 185 GeV [31日]。自希格斯玻色子夫妇非常弱的普通物质很难创建在粒子加速器中。希望强大的线性强子对撞机(LHC)在日内瓦,瑞士,将证实希格斯玻色子的存在,最后SM的粒子。

尽管他们取得了成功,但是,SM不包含任何作为暗物质粒子。唯一稳定、电中性和弱相互作用粒子SM的中微子。中微子可以失踪的暗物质吗?尽管“无可争议的美德的存在”(Lars Bergstrom把这么好),有两个主要原因中微子不能占所有宇宙的暗物质。首先,因为中微子是相对论,neutrino-dominated宇宙会抑制结构形成,造成了“自上而下”的形成(更大的结构形成,最终我们今天看到的冷凝和破碎)(32]。然而,没有观察到星系存在大爆炸后不到十亿年,加上结构模拟,形成一个“自下而上”的形成(恒星星系然后大星系星团,等等)似乎是最有可能的(33]。第二,Spergel et al。排除中微子作为整个解决方案缺少大规模使用宇宙学观测:WMAP结合大规模结构数据限制了中微子的质量电动汽车,进而使宇宙密度(18]。虽然中微子确实占一小部分暗物质,他们显然不能唯一来源。

缺乏暗物质的候选人没有SM无效,而是表明它必须扩展。也许SM只有一个有效的理论在低能量下,而且新物理学”超越标准模型,”也就是说,新理论可能的补充,而不是替代,SM。这些新理论已经提出,最有前途的超对称,也产生了一个可行的暗物质的候选者称为中性伴子或LSP。

4.2。标准模型的问题

虽然很成功,但SM有两个缺陷,暗示需要新的解决方案:层次结构问题和调整问题。层次问题的SM的预言希格斯真空期望值(vev,即。,这个领域的平均价值在真空),约为246 GeV。理论家们预测,在足够高的能量(≈1 TeV)电磁力和弱力作为统一力称为电弱力(这也被证实)。然而在较小的能量下,统一力分解成两个独立的力量:电磁力和弱力。事实证明,打破之后,希格斯场的能量最低状态不为零,但246 GeV真空期望值。正是这种非零值赋予其他粒子质量与希格斯场的交互。246 GeV vev是弱规模(典型的电弱的能量流程);然而,普朗克尺度(量子重力的影响变得强大的能量)大约是10¹⁹GeV。最基本的问题,就是为什么普朗克尺度10¹⁶倍弱者?之间有一个简单的“沙漠”10³和10¹⁹GeV没有新物理学进入吗?

在标准模型有一个额外的困难。大多数在量子场论扰乱性的计算。例如,两个电子的散射截面可以计算在给定的能量达到一定的力量精细结构常数,为电磁耦合常数。计算与费曼图表示的图像;粒子交互顶点的数量的力量有关。然而,虚粒子和更复杂的图也可以导致更高的权力的过程,其中的几个例子中可以看到图4。

作为一个例子,最好的反常电子的磁矩计算涉及891图34]。因此大多数数量有所谓的“圈”修正(尽管一些数量,如光子的质量,受到对称性的保护)。微调的问题出现在计算希格斯粒子的质量;量子循环修正希格斯色子的质量分成不同的。如果一个人使用10¹⁶GeV的规模电弱和强大的力量结合在一起,成为一个统一的力量(理论但未见),人需要一个几乎完美的取消的订单1参与10¹⁴对希格斯色子的质量在电弱规模(≈150 GeV)。这个不自然的取消是一个理论家,意味着我们的警报来源缺乏了解物理学在SM。

5。超对称

一个可能的扩展标准模型是超对称(超对称性理论)。从本质上说,超对称性理论是一个额外的对称费米子和玻色子之间,最好可以理解从Coleman-Mandula定理。Coleman-Mandula定理指出,量子场理论的最一般的对称(QFT)能拥有洛伦兹不变性(狭义相对论)和测量对称电荷守恒、轻子数,等等。(其发电机单李代数属于(35])。换句话说,Coleman-Mandula定理是一个“不方便”定理:相对论量子场论可以没有其他的对称性。特别是,不能改变粒子的自旋。也就是说,没有办法在SM改变费米子玻色子,反之亦然。

然而,在1970年代中期两组物理学家发现Coleman-Mandula定理可以逃避。超对称躲避Coleman-Mandula定理的限制泛化和放松限制的类型的对称量子场论(除了李代数可以考虑分级李代数的运营商反对易)。这个额外的对称性允许互变现象的费米子和玻色子。从本质上讲,现在每个费米子关联到一个超级搭档玻色子与超级搭档费米子和玻色子;添加超对称标准模型成倍地增加粒子的数量。虽然粒子的数量翻倍,似乎是一个不可救药的并发症,超对称性理论非常有吸引力的原因。

首先,超对称性可能解决层次结构和微调/标准模型的自然问题。苏西是新的物理行为在能量超出了SM这有助于解释为什么电弱和普朗克能量尺度不同。的调整问题,超对称性理论可以解释为什么希格斯色子的质量和希格斯vev太小。如果苏西是一个自然的完全对称,那么每个SM玻色子粒子的质量必须等于它的超级搭档费密子质量。由于玻色子和费米子质量修正在量子场论计算输入相反的迹象,他们可以相互抵消导致小希格斯粒子质量和vev“自然”。当然超对称对称破坏,也就是说,典型的对称不再有效能量和宇宙背景温度的今天。例如,我们没有看到一个玻色子超级搭档的电子。511伏的质量,将是一个完整的超对称的迹象。由于这种打破(不是很清楚)所有的搭档必须极其巨大的(很像和粒子获得质量在电弱对称性破坏光子仍无质量)。为了培养出可接受的修正希格斯粒子的质量,玻色子和费米子之间的差异必须1 TeV的群众。

此外,标准模型参数的精密测量地蜡对撞机表明只使用标准模型粒子内容强,弱,和electromagentic部队似乎并不统一的能量大约10¹⁶GeV。粒子物理学家们早就预测,弱者和电磁力的统一能量约10³GeV,三个量子力量应该合并成为一个大统一的力量。然而,如果一个添加最小超对称粒子含量,联轴器确实似乎收敛在一个统一的规模GeV [36- - - - - -38]。此外,超对称性是弦理论的固有特性,目前是唯一的理论统一引力的量子世界的可能性。

最后,这也许是最吸引人的超对称性的特点,标准模型与苏西确实提供了一个可行的暗物质的候选者,不久我们将讨论。苏西添加到生成的新粒子SM在表如下所示2。

当检查粒子SM与超对称性理论的内容,有几个可能的粒子可以作为暗物质。这些子(一个粒子状态的叠加的中性搭档希格斯和计玻色子),该sneutrino(中微子的超级搭档),和引力微子(重子的超级搭档将来自重力的量子理论)。所有这些粒子是电中性和弱相互作用,因此是理想WIMP-like暗物质候选者。然而,sneutrinos迅速湮灭在宇宙早期,和sneutrino遗产密度太低宇宙显著(39,40]。和引力微子作为热暗物质而不是冷暗物质,和大规模的结构观察与宇宙由热暗物质不一致(41,42]。这使得中性伴子作为一个可行的候选人。

但如何渺,极其巨大的粒子,现有足够多数量来弥补大量的暗物质(一般,巨大的粒子衰变为轻的)?答案在于所谓R-parity。在标准模型对称性保证重子和轻子数守恒;出于这个原因,质子,最轻的重子,不能腐烂。然而,随着超对称性,一般不再如此由于寻找超对称夸克和超对称轻子的存在;记得,苏西变化夸克和轻子到玻色子,反之亦然,所以重子和轻子数是违反了理所当然的。然而,我们知道的重子和轻子数违反(至少在低能量下)必须非常小因为敏感测试。超对称性理论的一个有趣特性是,如果一个写一个理论没有轻子和重子数违反条款,没有这样的条款会出现,甚至通过量子循环修正(超对称性理论的另一个优点是,某些类型的数量不会循环修正)。在这种假设下,一个新的对称性,称为R-parity,可能苏西版本的SM是守恒的。我们分配+ 1 R-parity标准模型所有字段(包括希格斯场),和−1 R-parity搭档。 The immediate consequence of R-parity conservation is that because there are an even number of SUSY particles in every interaction, the lightest supersymmetric partner, the LSP, is stable and will not decay. If this LSP is neutral, it is an excellent candidate for dark matter.

在大多数苏西版本的标准模型,中性伴子LSP,似乎是最有前途的暗物质的候选者;中性伴子的遗物丰富可以相当大的和宇宙的意义,和检测率高,不足以可以在实验室实验但还没有高到足以排除。因此,SM与超对称性理论提供了一个暗物质的候选者:中性伴子。虽然目前没有一个在实验室发现超对称粒子,超对称性目前提供建模和理解暗物质的最大希望。一个明显的优势是使用超对称标准模型的最小扩展很好理解,和计算,包括暗物质密度和检测率,可以执行。

6。异国情调的候选人

尽管中性伴子和超对称性理论成立,还存在其它暗物质粒子的候选人。轴子是粒子提议在1977年罗伯特·Peccei和海伦奎因解决所谓的“strong-CP问题”(43]。简而言之,强力拉格朗日包含一个术语,可以给任意大的电偶极矩中子;因为没有电偶极矩的中子,Peccei和奎因的假说认为,一个新的对称防止出现的一个术语,一计对称(就像光子质量)。他们进一步提出,这种对称略有破损导致一个新的、很轻标量粒子,轴子。虽然这个粒子非常轻(理论把它的质量μ电动汽车范围),它可以存在于足够数量作为冷暗物质。以来就可以一对光子,应该可以搜索就可以精确调谐射频(RF)蛀牙;射频腔内的磁场轴子可以被转换成一个光子显示腔功率过剩。在一个独特的混合的粒子和天体物理学,限制就可以通过观察的红巨星被放置;就可以,如果他们存在,将提供另一个冷却机制,可以限制通过研究多快红巨星酷(44]。尽管轴子从来没有直接观察到,几个实验如ADMX和大帆船正在继续搜索和设置新的限制axion参数(45,46]。

如果就可以存在超对称性理论也是正确的,那么axino (axion的超对称伙伴)的太阳能发电;中性伴子会衰变为axinos通过(47]。然而,axinos也作为热暗物质,因此不能构成大量的暗物质。

最后一个异国情调的暗物质粒子候选人来自额外空间维度的理论。认为,我们的宇宙可能有额外空间维度始于1920年代,卡鲁扎和奥斯卡克莱因;通过写下爱因斯坦的广义相对论在五个维度,他们能够恢复四维重力以及麦克斯韦方程为一个向量场(和一个额外的标量粒子,他们不知道如何处理)(48,49]。克莱因解释这个额外的第五维度的nonobservation紧它与一个非常小的圆半径(10⁻³⁵厘米,这样就完全nonobservable)。kaluza klein理论(他们来到被称为)最初追求大统一理论;然而,弱和强核力的出现作为自然的基本力把这种类型的方法统一到画板。然而,在1990年代末与额外维度两个新的场景出现。Arkani-Hamed、德和Dimpoulos试图解决层次结构问题,假设大额外维度的存在(最初在毫米或更小的规模);他们大胆的断言电弱规模是唯一的基本性质和规模,普朗克尺度似乎很小由于这些额外维度的存在(50]。Lisa Randall和喇曼Sundum,另一方面,提出了无限大的额外维度,在低能量下难以察觉的;重力,他们解释说,疲软正是因为它是唯一的力量,可以“泄漏”这个额外维度(51]。

什么额外维度与暗物质的候选人?在额外维度的紧化理论,粒子在这些额外维度可以传播有其动量量子化的,在那里粒子的动量和吗额外维度的大小(我们也使用自然单位吗)。因此,对于每个粒子在这些额外维度自由移动,一组傅里叶模式,卡鲁扎—克莱恩,叫做出现 在哪里紧化额外维度的大小,是普通的标准模型粒子的质量,然后呢是模式的数字。每一个标准模型粒子然后与无限卡鲁扎—克莱恩州塔兴奋有关。如果假设沿第五维平移不变性,然后一个新的离散对称卡鲁扎—克莱恩平价卡鲁扎—克莱恩粒子存在,最轻的叫(LKP)可以是稳定的和作为暗物质;在大多数模型LKP是第一个光子的激发。工作的框架内通用额外维度(发行)模型(52),仆人和泰特显示在2003年,如果LKP质量500至1200吉电子伏特能量,然后LKP粒子可以存在于足够数量作为暗物质(53]。附加额外维度的暗物质理论的动机包括质子稳定和取消计异常从三代费米子54]。

许多其他的理论被提出,试图解释宇宙的暗物质,其中大部分已经不像那些有前途的讨论。包括奇异子,WIMPzillas branons, gimp [55- - - - - -57]。然而,中性伴子仍是理论上研究最多和最激励暗物质的候选者。在下一节中我们将讨论粒子如何像中性伴子(苏西LSP)可以在早期宇宙的产生以及如何确定他们今天存在足够密度作为暗物质。

7所示。在早期宇宙的生产

7.1。对大爆炸宇宙学

了解暗物质粒子可以被创建在宇宙早期,有必要给简要回顾宇宙学的标准模型。宇宙学的标准模型,或“大爆炸理论”更口语化的语言,可以总结为一个声明:宇宙膨胀了绝热地从最初的炎热而密度大的状态,在大尺度上是各向同性和均匀。各向同性意味着宇宙看起来一样在每一个方向和均匀宇宙大约是相同的每一点空间;两点形成所谓的宇宙学原理是现代宇宙学的基础,“每个comoving观察者在宇宙流体具有相同的历史”(我们在宇宙中的位置是不特别)。模型的数学基础是爱因斯坦的广义相对论和实验支持的三个关键的观察:宇宙的膨胀以埃德温·哈勃在1920年代,宇宙微波背景,大爆炸核合成。

弗里德曼方程广义相对论的结果应用到四个维度是均匀和各向同性的宇宙: 在哪里哈勃常数(使宇宙的膨胀速度和不是一个常数,但时间)的变化,今天宇宙的空间曲率,是牛顿的万有引力常数,然后呢和分别为压力和能量密度的物质和宇宙辐射中。被称为比例系数是时间的函数,给出了相对宇宙的大小(目前被定义为1和0的即时大爆炸),然后呢是宇宙的熵密度。弗里德曼方程实际上是在概念上很容易理解。第一个说,宇宙的膨胀速度取决于在场的物质和能量。第二是能量守恒的表达,第三是一个表达式的每个co-moving体积熵守恒(co-moving卷一卷,扩张效应是切除;non-evolving系统将留在常数或熵密度co-moving坐标甚至通过数字或熵密度实际上是减少由于宇宙的膨胀)。

宇宙的膨胀率作为时间的函数可以确定通过指定物质或能量通过状态方程(能量密度与压力相关)。使用状态方程,在那里是一个常数一个发现: 在哪里代表了现在这样如前所述。对于非相对论问题的压力可以忽略不计,因此;和辐射(和高度相对)因此。虽然真正的宇宙是一个混合的相对论性物质和辐射,比例因子是主要的贡献;直到在大爆炸后约47000年,宇宙是由辐射,因此比例因子的增长。之前创建以来重粒子像暗物质核合成(大爆炸发生后几分钟),我们将把宇宙作为辐射在考虑生产暗物质主导。

7.2。在早期宇宙热力学

粒子反应和生产可以在早期宇宙使用建模工具的热力学和统计力学。早期宇宙中最重要的一个量来计算每个粒子的反应速率 在哪里是粒子的数密度,是横截面(粒子间相互作用的可能性的问题),然后呢相对速度。只要我们可以应用平衡热力学(基本上这个措施如果粒子足够频繁交互或宇宙的膨胀速度极快,粒子从未遇到彼此)。这让我们来描述一个系统宏观上各种状态变量:(体积),(温度),(能源)(内能),(焓)(熵)等。这些变量路径无关;只要两个系统开始和结束在相同的值的状态变量,该变量的变化对两个系统都是相同的。最相关的数量在早期宇宙的温度。由于时间和温度是负相关的,即早期宇宙热(确切的关系),我们可以重写哈勃常数和反应率和横截面的温度。温度也会告诉我们如果足够的热能可以创建粒子;例如,如果宇宙的温度是10 GeV,存在足够的热能产生500伏粒子对生产,而不是50 GeV粒子。

统计热力学可以用来获得能量密度的关系,粒子数密度、和熵密度在早期宇宙的平衡。,玻色-爱因斯坦统计数据是用来描述分布的玻色子和费米狄拉克费米子的统计数据是用来描述分布。两者之间的主要区别源自泡利不相容原理即没有两个相同的费米子能占有同样的量子态在同一时间。玻色子,另一方面,可以同时占据相同的量子态。因此有小差异数量计算的玻色子和费米子。获取相关的统计数量,我们开始分配的因素。分布的因素,这使粒子的相对数量与不同价值观的势头一个粒子物种的话,是 在哪里,物种的化学势吗(能源与变化在粒子数),和+ 1例描述了−1例玻色子和费米子。(你可能会注意到,玻耳兹曼常数缺少分母的指数。为了简化事情,宇宙学家们使用的单位制中)。分配系数可以用来确定比率和分数在不同能量的粒子,以及数量和能量密度的积分 在哪里和自由度的数量。自由度也称为统计权重基本上占的数量可能的组合一个粒子的状态。例如,考虑夸克。夸克有两个可能的自旋状态和三种可能的颜色,每一代有两个夸克。所以,总夸克自由度的标准模型与一个加法反夸克。每个粒子的基本类型(和相关的反粒子)有自己的自由度的数目,而进入数量和能量密度的计算。已知粒子的SM(加上预测希格斯玻色子)共有118个自由度。

数量和能量密度的积分可以解决在两个极限明确:()相对论极限和()非相对论性的限制。非相对论性的粒子,, 麦克斯韦玻耳兹曼分布(没有区别费米子和玻色子)和 对相对论性粒子,另一方面,, 在哪里是黎曼ζ函数。这些结果表明,在任何给定的时间(或温度)只有相对论粒子总数大大加剧和能量密度;相对论性物种的数量密度指数抑制。作为一个例子,今天知道宇宙微波背景辐射的光子有温度为2.73 K,我们可以使用(14)来计算光子/立方厘米。

7.3。粒子生产和遗物密度:波尔兹曼方程

在宇宙早期,非常充满活力和巨大的粒子产生和存在于热平衡(通过机制(如对生产或碰撞/其他粒子的相互作用)。换句话说,重粒子转换成更轻的过程的,反之亦然发生以同样的速度。然而,随着宇宙的膨胀和冷却,发生两件事情:)轻粒子不再有足够的动能(热能)生产重粒子通过交互和()宇宙膨胀稀释粒子数等交互不发生频繁。在某种程度上,重粒子的密度或特定粒子种类变得太低,不足以支持频繁的互动和热平衡条件被违反了;粒子被认为“定额出局”及其comoving数密度(不再受交互)保持不变。定额出局的确切时刻或温度可以通过将反应速率计算,(9),哈勃(扩张)。特定粒子的密度定额出局的时候被称为粒子以来丰富的遗产密度保持不变(见图5)。

我们知道,一个超对称粒子像中性伴子好的暗物质候选者是:它是电中性的,弱相互作用和巨大的。也产生了丰富的早期宇宙。但是可以像电中性粒子(或一个通用的懦夫)目前宇宙中还存在有足够密度作为暗物质?要回答这个问题,我们将探讨如何准确计算密度遗迹。

波尔兹曼方程给出的表达式改变某个粒子数密度随着时间的推移,。制定一个粒子物种玻耳兹曼方程,必须理解,包括相关流程。超对称粒子,如中性伴子,有四个:(宇宙的膨胀,)coannihilation,两个超对称性理论粒子相互湮灭创建标准模型粒子,()粒子的衰变问题,()散射的热背景。每一个流程然后分别对应一个术语的波尔兹曼方程哪里有超对称性理论粒子 在超对称的情况下(我们将在本节的其余部分)通过考虑R-parity玻耳兹曼方程可以简化。如果我们还假设苏西粒子的衰变率比宇宙的年龄快得多,那么所有超对称性理论粒子出现在宇宙的开端已经腐烂成中性伴子,太阳能发电。我们可以这样说,大量的中性伴子的总和所有超对称性理论粒子的密度()。注意的是,当我们的总和(16),第三和第四条款取消。这是有道理的,因为转换和苏西粒子的衰变不影响整体丰富的超对称性理论粒子(因此中性伴子),因此毫无贡献。我们只剩下 在哪里是中性伴子的数密度,是热有效消灭截面的平均倍的相对速度,中性伴子的平衡数密度。快速笔记应该热的平均水平和增加困难。是彻底被m . Schelke coannihilations中性伴子和重超对称性理论粒子可以导致中性伴子的遗物的密度变化超过1000%,因此不应排除在计算(58]。然后不仅热平均截面乘以neutralino-neutralino湮没的相对速度,但neutralino-SUSY粒子湮灭;许多不同的可能的反应必须考虑基于中性伴子和其他超对称性理论粒子之间的质量差异。

通过把(17)的和在哪里是我们获得的温度来简化计算,表单吗 在哪里是一个参数取决于有效自由度。方程(18)可以集成来找到(需要在(19)的遗物密度)[59]。

图5(改编自科尔布和特纳的优秀的治疗这一主题60])情节分析近似波尔兹曼方程,说明了几个关键的点。的设在本质上是(至少)成正比的遗物密度;实线是平衡值,虚线是实际的丰富。注意,在定额出局,实际的丰富使平衡值,基本上维持不变;平衡值,另一方面,继续降低定额出局是保护文物密度高的关键。此外,毁灭截面越大,遗迹密度越低;这是有道理的,因为更容易粒子湮灭掉,不可能今天会大量存在。转述了这许多“最弱胜”的意思,与最小的粒子湮没横截面的最大密度遗迹。

使用的价值上面所描述的那样,中性伴子的遗物密度是由 在哪里中性伴子的质量,今天是熵密度(这是由宇宙微波背景辐射的光子自大约有10¹⁰宇宙中光子/重子),是集成的结果修改后的版本的波尔兹曼方程。更深入的讨论波尔兹曼方程和中性伴子的遗物密度,咨询Schelke Edsjo和Gondolo [58,61年]。

回想一下,物质和重子密度之间的差异(如由WMAP)。可以像苏西暗物质的粒子模型卡鲁扎—克莱恩理论或产生大量暗物质作为大量的暗物质?答案一般是肯定的。虽然超对称性理论理论无法预测一个暗物质遗物密度由于固有的输入参数的不确定性,加上超对称标准模型并产生广泛的模型的一些预期的暗物质密度。例如,MSSM模型(最小超对称标准模型)收益率暗物质密度从10遗迹⁻⁶WMAP结果一些overclose宇宙;中性伴子的质量的模型给出一个正确的遗物丰富通常躺在50 - 1000 GeV范围。卡鲁扎—克莱恩暗物质类似的计算可以执行通用额外维度的场景;Hooper和普罗富莫报告的第一激发光子作为LKP遗物丰富可以获得在适当的范围为LKP群众850至900吉电子伏特能量(52]。

总结、统计热力学模型允许我们早期宇宙的状况来预测遗物丰富的暗物质粒子像中性伴子。引人注目的是,这样的模型产生暗物质丰度与宇宙测量提供的范围一致。卡鲁扎—克莱恩理论是如此强大,超对称性理论和理论特别是,因为这样的计算(甚至是给定一个范围广泛的不确定性在几个参数)是可能的。配备所需的遗物暗物质的密度和理论家提出的各种模型,实验可以搜索允许参数空间的暗物质在特定领域。在下一节中我们将讨论的方法和进展的各种检测方案和实验。

8。检测方案

探测暗物质(或创建)是关键的角色决定其属性和暗物质在宇宙结构的形成。目前许多实验搜索和搜索的信号WIMP-like暗物质(许多专门为中性伴子),每使用一种不同的检测方法。虽然生产暗物质粒子加速器将理想(我们会更好的控制和实验是重复的),但其他方法找到暗物质,也创造了直接和间接检测,继续在搜索非常重要。由于本文的总结性质,只有简要概述这个大的主题将在这里。更彻底的检测技术和结果,参考Baudis Klapdor-Kleingrothaus直接检测和卡尔et al。间接[62年,63年]。在讨论我们认为当地的暗物质分布是静止在银河系晕。然而,其他的可能性,包括暗物质团和速度流由于不完整virialization是可能的(64年]。

8.1。在加速器生产

生产和检测暗物质粒子加速器将是一个巨大的一步证实暗物质的存在(尽管它不会,有趣的是,验证了粒子作为宇宙中暗物质的大量发现通过天体物理手段;原则上,暗物质在宇宙中不需要由一个组件)。如果我们假设R-parity是守恒的,暗物质是中性伴子,因此太阳能发电,然后一个信号在一个加速器将有几个特色。超对称性理论创建粒子时,他们就会衰变LSP,最有可能逃脱探测器(类似于一个neutrino-remember苏西粒子与普通物质相互作用很弱)。当LSP离开碰撞空间,它将携带能量和动量可以检测到失踪的能量和动量。类似的签名丢失的能量将被发现,卡鲁扎—克莱恩励磁或其他外来如果暗物质粒子。

虽然超对称性理论的直接证据或其他外来粒子尚未见过,有些过程很大程度上取决于他们是否存在。例如,辐射夸克衰变过程()和异常磁矩μ介子的限制可能的超对称性理论粒子的质量。约束从这些和其他实验,然而,是高度依赖模型因此很难使任何一般索赔。因为有这样的不确定性理论,我们将在下面几节中一般指暗物质粒子WIMPs(质量弱相互作用粒子)。

8.2。直接检测

直接检测的基本思想很简单:建立一个非常敏感的设备,包含大量的一些元素,它可以检测到非常小的原子的运动和交互。如果暗物质在宇宙中无处不在,那么它应该是环游地球(通过),因此检测装置。尽管暗物质是弱相互作用,可能偶尔撞到一个检测器原子的原子核和储蓄能量检测器,可以感觉到。了解多少能量一个懦夫将存款,我们首先估计WIMPs正在约220公里/秒的速度和质量是100 GeV左右。然后,我们使用粗暴地找到一个懦夫的动能 这是中性伴子的能量上限100 GeV旅行在220 km / s可以存款在探测器;实际的数量几乎肯定会更小,因为它不太可能成为一个wimp粒子探测器中完全停止。天然放射性物质一般发出兆电子伏能量,使增加keV能量由于核散射几乎不可能找到。出于这个原因,直接检测设备必须从粒子放射性清洁和保护,使检测WIMPs困难。

反冲能量一个懦夫的质量散射的原子核的质量可以更精确地找到与表达吗 在哪里是降低质量,是懦夫的速度相对于细胞核,然后呢是散射角。

一个懦夫信号应该有特定的特征。首先,事件应该均匀分布在整个探测器鉴于当地暗物质密度被认为是相当均匀和交互的截面保持不变。其次,WIMP-nucleus交互应该单事件,而事件从宇宙射线或自然发生放射性可以多站点。出于这个原因,探测器有一个“反符合否决制度”,确保事件非常接近(在纳秒),这表明它们是由相同的入射粒子,它们也不被算作由其他弱作用大质量粒子引起的。检出率也应该在不同的时间不同的由于土方或反对暗物质在星系的速度。这取决于地球的速度,给出的 在哪里是2π/年,6月2日。因此,懦夫通量的变化超过一年只有7%,这意味着许多事件需要看到这么小的调制。这些其他迹象帮助决定是否接收信号检测实验真的是窝囊废。

懦夫与探测器材料之间的相互作用可分为两个特点:弹性或非弹性,spin-dependent或spin-independent。(我)弹性和非弹性散射:弹性散射是一个懦夫与原子核之间的相互作用。这导致核反冲,正如我们所见,将存款约25 keV能量。在非弹性散射的能量不进入核反冲;相反,细胞核是兴奋到一个更高的能量状态(例如,5/2⁺州^73年通用电气),然后由光子发射衰减。如果激发态足够长,衰减信号可以分开核反冲事件;这将导致更好的背景歧视。然而,非弹性散射横截面通常小于弹性散射横截面由于缺乏连贯性(是与单个的核子的交互,而不是整个原子核)(65年]。(2)Spin-dependent spin-independent散射:Spin-dependent(轴矢量)散射的结果从一个懦夫的耦合与旋转的旋转核子的内容。Spin-independent(“标量”)并不依赖于有更高的横截面的优势和较大的原子核(因为相干的懦夫与原子核相互作用作为一个整体)。反冲事件可以进一步分类,在三种形式之一。(我)声子/热:振动(检测到温度上升)晶格的探测器,由原子核的轻微运动哪一个懦夫畏缩了。一个极其敏感的温度计系统坐落在探测器,允许任何温度变化记录。(2)电离:探测器的入射粒子给一个电子能量不足以摆脱原子核的拉。小电场探测器的设置“推”探测器的新收费墙,可以注册,算作一个电离事件。(3)闪烁:当一个电子吸收足够的能量引起的爬到一个更高的能量状态。短时间后,电子就会失去这种能量发射光子,然后收集由光电倍增管和转换成一个电信号,因此它可以分析。

一种探测器通常设置两个懦夫的信号。通过这样做,背景事件可以认出event-by-event基础和丢弃,让可能的暗物质签名计算和分析。

计算反冲事件的数量预计在探测器在反冲能量范围内(),我们对核物种求和检测器: 在哪里是预期的反冲率每单位质量的单位时间内每单位核反冲能量和,和的有效接触吗在探测器。是由 在哪里是当地的光环暗物质密度,WIMP-nucleus截面,是核形式因素考虑到原子核并不是一个简单的点粒子,质量是懦夫,是降低质量,的速度是懦夫的探测器,物种是一个原子核的质量,反冲能量,是懦夫速度分布(一般认为是麦克斯韦玻耳兹曼分布)参考系的探测器。核物理的不确定性都是锁着的在天体物理的不确定性在于懦夫速度分布。是由 在哪里是原子核的总质量的物种在探测器活跃一段时间,是核反冲的计数效率的能量。

从这些表达式,我们可以看到一个探测器最好有一个大质量的接收信号,操作很长一段时间,对背景辐射妥善保护。上限可以穿上WIMP-nucleus截面通过比较预期事件(使用上述表达式)来观察。任何负面的结果直接检测实验是不会浪费时间和精力;相反,我们可以说懦夫不存在在一定的测试区域参数空间(对于一个给定的暗物质理论),看起来更加敏感地区。幸运的是,实验达到更先进的检测技术和正在接近的参数空间弱作用大质量粒子被认为是存在的。

全世界许多人在操作时,三个直接检测实验产生最好的(最受限的)结果spin-independent WIMP-nucleus截面低温暗物质搜索(CDMS II)在矿井内,英国暗物质协作ZEPLIN-I(分区比例在液体闪烁惰性气体)Boulby矿山,和XENON10格兰萨索的地下实验室。

这三个合作用一种不同的方法来寻找弱作用大质量粒子。CDMS II使用一组Ge探测器250克和100克硅探测器冷却到低于50可。每个设备都是分为一个ZIP (端依赖电离和声子)检测器。虽然WIMPs反冲的原子核,背景粒子散射的电子;邮政探测器能够区分这两个事件(66年]。即使用液体Xe的闪烁性能检测弱作用大质量粒子,屏蔽铅和液体闪烁体否决减少背景辐射(67年]。XENON10还使用液体Xe检测闪烁和电离事件(68年]。从这些合作排除曲线如图6。在图6阴影区域的性质和范围从理论很大程度上取决于个人超对称理论;我们说这里只显示有理论预测懦夫候选人在当前和计划的直接检测实验。

一个实验中,DAMA协作,发现一个年度调制散射事件预计在7%70年]。然而,这是令人费解的,因为没有其他直接检测实验发现这样的一个信号。Gondolo和米给可能的原因;例如,懦夫速度可能比DAMA阈值,但小于其他探测器的阈值(71年]。然而,DAMA的结论仍然存在争议。

其他协作关注spin-independent直接检测包括CRESST和雪绒花72年,73年]。提出了许多其他未来的项目,比如天才和SuperCDMS计划能够探测几乎所有split-supersymmetry模型参数空间(74年,75年]。

尽管spin-independent散射在大多数超对称性理论模型更大的互动率,spin-dependent散射可以探索参数空间标量交互不太可能的。出于这个原因,实验寻找spin-dependent交互能够设置竞争上限懦夫交互。例如,^73年通用电气7.73% CDMS合作的自然锗探测器,和^29日如果占4.68%的天然硅,具有非零自旋。因此,CMDS spin-dependent实验把最好的电流上限WIMP-neutron交互(76年]。其他直接探测实验用人spin-dependent技术包括毕加索和水中的仙女77年,78年]。

8.3。间接检测

在超对称,例如,它们被归类为马约喇纳粒子(它们自己的反粒子)因此相互湮灭,发出各种产品,我们可以检测。因此一个潜在的信号存在的暗物质WIMP-WIMP湮没。这种技术被称为“间接检测”,因为我们不是实际检测弱作用大质量粒子本身。因为弱作用大质量粒子的灭绝率成正比的平方暗物质密度(),自然的地方寻找暗物质湮灭人预计懦夫密度高,如太阳、地球和银河中心。毁灭产品包括伽马射线、中微子,反物质。

8.3.1。伽马射线

伽马射线从懦夫湮没被认为最经常发生在银河系中心。这个过程可能发生的一种方法是通过一个懦夫湮灭产生夸克和反夸克,然后产生一个粒子飞机释放出伽马射线的光谱。夸克反夸克分裂过程已经彻底研究了加速器和很好理解;伽马射线的创造和传播这种飞机是一个相当可预测的过程(例如,相比“随机漫步”的带电反物质粒子通过空间)。第二种形式的伽马射线直接生产是弱作用大质量粒子的衰变伽马射线,或),产生伽马射线(“伽马射线线”)与弱作用大质量粒子的质量成正比。由于典型的懦夫群众可以GeV的100年代,这些都是极其高能伽马射线。通量虽小,也很难检测,观察这样一个伽马射线线将是一个明显的迹象表明暗物质湮灭和懦夫质量(通常称为“确凿证据”)。

伽马射线进入一个间接探测装置,它首先通过一个反符合盾这限制了大量的带电粒子进入检测器。伽马射线然后遇到“转换衬托,薄片的沉重将光子转换成核对。一个量热计跟踪正电子与电子的能量,而粒子跟踪探测器测量他们的轨迹。伽马射线的标志性事件是然后注册能量没有触发反符合盾,和两个粒子的迹象(正电子和电子)来自相同的位置。

白鹭合作1998年报道过多的伽马射线,指向已经接受了暗物质的特性:50 - 70 GeV懦夫质量和集中暗物质环的半径14 kpc从银河中心(这将很好地回答我们的平面旋转曲线)(79年]。这一发现最初是鼓舞人心的,但Bergstrom et al。表明,观察反质子通量要大得多,如果这些多余的伽马射线所产生的子或通用的懦弱的人的自我毁灭80年]。出于这个原因,白鹭的结果仍有争议。

8.3.2。中微子

中微子可以懦夫湮没的另一个重要的产品。作为WIMPs穿越宇宙,通过问题,他们失去了少量的能量由于散射的细胞核。因此,弱作用大质量粒子可以聚集在大引力的中心机构,增加密度,直到他们的灭绝率等于一半的捕获率(需要两个弱作用大质量粒子湮没,只需要一个捕获)。对于许多基本粒子物理模型,懦夫毁灭和捕获率(或接近)平衡在阳光下,观察方便“关闭”对象。这个平衡应该允许一个稳定的灭绝率,因此恒流内的中微子来自太阳(我们学习只有毁灭的中微子而不是其他产品,因为太阳中微子发生弱相互作用,大多数逃避问题或身体)。那么,为什么不研究中微子来自懦夫湮灭在地球,一个更近的引力的身体吗?地球(在大多数模型)并没有达到这种平衡,因此不提供一个中微子流量;它并不比太阳大,所以它会导致更少的懦夫散射和一个小得多的引力势阱。中微子望远镜因此通常集中在中微子流量来自太阳,而不是地球。

给出微分中微子流量从懦夫湮没 在哪里是毁灭的弱作用大质量粒子在太阳和地球,探测器的距离从源(太阳的中心区域和/或地球),是懦弱的人对毁灭的最终状态,是最后的分支比。是中微子的能量分布生成的最终状态(81年]。根据懦夫的质量和成分,包括毁灭过程;;;;;和中微子在其他产品,然后衰变。中性伴子或通用WIMPs轻于毁灭,和是最常见的过程,产生的中微子能量GeV的30倍。弱作用大质量粒子与希格斯粒子质量更高的湮灭和衡量玻色子,顶部和底部夸克,μ介子,导致中微子的质量更容易检测(大约一半的懦夫质量)。检测,然后,在很大程度上取决于懦夫质量,以及灭绝率,密度在太阳,和其他因素。

作为中微子穿过地球,他们有时与氢气和氧气和其他原子光学模块的一个中微子探测器。此类事件产生的电子、μ子和τ子非常精力充沛,传播速度超过光速在中;然后粒子探测光由于他们发出的切伦科夫辐射。

因为中微子是弱相互作用,必须大量中微子望远镜探测到一个重要的信号。AMANDA-II中微子探测器1500到2000米的地下在南极的冰切伦科夫辐射旅行,可以看到很容易通过光学模块。这个实验没有发现统计上显著的结果从太阳的方向,但已将帮助公司限制了μ介子通量(82年]。未来的实验(2011年将全面完成),冰立方,将阿曼达融入更大的检测实验中,与7200年光学模块和立方千米的探测器体积(83年]。超级神冈探测器(“超级”)是另一个间接检测实验中,位于地下Kamioka-Mozumi矿山在日本。探测器由50000吨水和检测切伦科夫辐射从传入的μ介子。超级神冈看起来太阳的方向,地球,和星系中心,,就像阿曼达,没有发现任何多余的μ介子利率高于预期的背景(84年]。

8.3.3。反物质

懦夫的反物质可以成为一个优秀的信号湮没正是因为反物质是相对罕见的大规模地,和许多天体物理过程产生反物质是众所周知的事情。例如,消灭弱作用大质量粒子也可以产生反质子通过通过hadronization(主导湮没过程收益率夸克和反夸克)和正电子湮没的通过二级产品等,在那里。不像伽马射线和中微子,这些产品都是带电的,因此也受到磁场在空间和减少能量由于逆康普顿和同步流程,因此我们不能对湮灭发生做出任何结论。因此我们研究反物质粒子从银河晕的通量作为一个整体,而不是认为致密星系中心或大型机构等领域。

实验寻找反物质必须靠近地球大气层的顶端;其他各种宇宙射线粒子及其重要的淋浴创建过大和不确定的背景做出结论性的分析。是很重要的,然而,仍然认为,减去任何背景造成的宇宙射线到达地球大气层的边缘。1994年,热协作发现过多的宇宙射线的正电子能量大约10 GeV中性伴子可能造成融为一体,并在2000年再次确认这个信号(85年,86年]。“刺激因素”,然而,必须应用的懦夫湮没率平滑光环为了匹配热数据;这也许是一个信号,表明我们存在于一个极其树木丛生的光环,或者还有其他未知的反物质来源。气球携带实验与超导光谱仪(贝丝)也发现了反质子能量4 GeV在其9个航班在几年内(87年]。

最近,帕梅拉的结果(反物质的负载问题探索和轻核天体物理学)星载实验的航班从2006年7月——2008年2月被释放。协作发现正电子分数在1.5的范围的急剧增加-100 GeV,并因此得出一个结论,一个主要来源,一个天体物理对象或暗物质湮灭,必须存在占大量的宇宙射线正电子(88年]。帕梅拉的数据还需要重懦夫候选人或大促进因素与非均匀块状暗物质分布,从而限制可能的暗物质的性质。ATIC(高级薄电离量热计),balloon-based实验,还过多的报道或在300 - 800 GeV。然而,最近的结果从费米89年和赫斯90年](高能立体系统,一套四切伦科夫望远镜在纳米比亚)没有看到相同的正负电子过剩ATIC离开问题远未解决(然而,费米并看到一个类似被帕梅拉过剩)。进一步的数据是必要的,以确定如果过量伽玛射线和反物质通量确实是暗物质湮灭的信号或签名的地方天体物理对象和背景。

9。结论和挑战

《天体物理学和宇宙学暗物质是令人印象深刻的和令人信服的证据。也许最引人注目的是证据的多行需要暗物质。元素丰度从大爆炸核合成和基本的宇宙微波背景辐射的各向异性预测非常相似的重子(普通物质)丰度,然而每个描述了一个完全独立的时代在宇宙的历史中截然不同的物理过程正在发生。暗物质是必要描述星系和星系群,是一个必要的因素,形成大规模的结构。正是这种和谐的证据不仅仅使暗物质“蒙混因素”;虽然奇怪的和意想不到的,暗物质似乎是宇宙的基本的和必要的组成部分。

尽管暗物质的组成和性质仍然是未知的,像超对称性理论卡鲁扎—克莱恩的额外维度提供了坚实的理论框架或试图理解暗物质。所有的暗物质粒子候选人,也许最好的动力是电中性的。它是一个典型的懦夫:电中性、弱相互作用,通过统计力学和巨大的,早期宇宙中我们可以计算丰度的中性伴子今天符合它作为暗物质。其他的候选人的暗物质存在就可以向WIMPzillas奇异子。然而古怪的候选人,寻找暗物质仍在继续。欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机将开始碰撞在2009 - 2010年的3.5 TeV梁,增加到7 TeV每束最有可能在2011年及以后,并将搜索超对称性和暗物质的迹象。间接搜索继续寻找伽玛射线和反物质可能提供暗物质的证据;当前争议之间帕梅拉ATIC和费米的进步和挑战赫斯结果表明间接检测。最后,直接检测实验继续设置更严格的限制子和懦夫散射截面;这些限制,新技术的应用,将大大提高未来十年像超级CDMS实验,天才,和赞贝林IV。

暗物质,当然不是完全理解和面临的挑战。主要的挑战是,在实验室中仍未被发现。暗物质的另一个压力是,似乎拥有过多的权力在小尺度(~ 1 - 1000 kpc)。数值模拟的暗物质晕的形成是由Klypin et al。和解释表明,银河系和仙女座星系的平均速度分散,应该有5倍暗物质卫星(矮星系与一个非常小的普通物质内容)与圆周速度> 10 - 20 km / s和质量米_⊙在570年发现kpc半径比(91年]。换句话说,尽管暗物质形成结构至关重要,目前的模型形式太多结构。另一项研究中,从摩尔et al。表明,暗物质模型产生更多的急剧上升的旋转曲线比我们看到的许多低表面亮度星系,再次表明模拟产生过多的暗物质(92年]。当然,在小尺度差异可能是完全由于天体物理过程;例如,photo-heating期间游离和/或超新星的反馈特别影响矮星系(93年,94年]。虽然重要的考虑,这些暗物质所面临的挑战是相形见绌的令人信服的证据暗物质的必要性及其成功解释我们的宇宙。什么使这个领域的丰富和充满活力的生活就是工作和研究继续下去,这些挑战将导致未来的深入了解。

暗物质是一个机会来了解更多关于宇宙的根本秩序。暗物质之外的我们提供了一个非常成功的粒子物理学的标准模型。中性伴子的发现证明超对称性的有效性并帮助桥之间的“沙漠”电弱和普朗克尺度。但是最终,我们看作为一个神秘的暗物质,将希望激发物理学和天文学的一个学生在教室里。爱因斯坦说过,“最美丽的事情我们可以体验是神秘的。它是所有真正的艺术和科学的来源。”

附录

a . MOND理论替代暗物质

暗物质的替代品,特别是作为一个解释nonKeplerian旋转机构的运动,叫做蒙德(修正的牛顿动力学MOND)。1983年米格罗姆提出平面旋转曲线中观察到许多星系可能是解释宇宙中没有提出任何形式的失踪质量(95年]。他介绍了一个加速常数修改牛顿第二定律,这将在小加速度占半径独立恒星运动的性质。

而不是通常的蒙德的核心是,方程 在哪里的力作用在一个物体的质量和加速度,厘米的年代⁻²加速常数取决于米格罗姆(其他许多MOND理论出现了不同的值)。加速度大于或等于(大多数的加速度在日常生活中我们看到,包括太阳系内行星的运动),像往常一样,牛顿动力学可以使用。然而,对于很小的加速度等物体的轨道远离银河中心,变得重要;这就是MOND,解释了在旋转曲线。

演示如何蒙德可以在旋转曲线解释,我们首先考虑重力的表达式一个明星和米格罗姆牛顿第二定律的修正 在哪里引力常数,和分别是恒星和星系的质量,然后呢是恒星的轨道的半径。如果我们取消两边和假设在一个非常大的,我们只剩下 解和使用加速度与速度和半径的关系(),我们发现 在哪里没有依赖。这种关系使得各种研究使用蒙德适合平面旋转曲线相当成功数低和高表面亮度星系(分别LSB和HSB星系)仅根据发光质量(96年- - - - - -98年]。MOND, LSB星系显示更大的偏离牛顿动力学HSB星系显示差异只有在他们的外部引力的地区要少得多。蒙德和特维斯(广义相对论的MONDian版本)99年)取得了成功在预测和描述其他星系动力学观察。最近的一个评论中看到r·h·桑德斯(One hundred.]。

尽管取得了这些成就,蒙德面临几个主要和关键的挑战已经无法克服。例如,当考虑到星系团,蒙德不能占密度和温度资料,需要看不见的物质(101年]。暗物质存在的证据在许多距离尺度和蒙德基本上只适用在星系尺度。同时,极低加速度实验(下图)进行,发现没有偏离牛顿第二定律,从而制约蒙德,以减少在实验室条件下牛顿第二定律(102年,103年]。最后,如子弹状星系团的引力透镜效应证据表明,实际上,重力点后不定期,观察重子暗物质,而是某种形式的不观察到光。MOND理论在他们当前的形式不能轻易占这样的差异,尽管最近结婚的理论与无菌中微子蒙德正在开发(104年]。上述和其它原因,然而,我们认为暗物质是一个更有前途的解决难题的宇宙中失踪的质量。

确认

k·加勒特和g Dūda要感谢支持NASA空间内布拉斯加州通过授予NNG05GJ03H财团。

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