中國天文學家利用阿爾法磁譜儀數據在搜尋暗物質方面取得重要進展

暗物質的存在是諸如星系、宇宙大尺度結構、宇宙早期演化等天文觀測的必然要求，但暗物質是什麼、質量是多少、和普通的物質的關係等一直是相關研究的問題，其中通過宇宙線來搜尋暗物質是探測暗物質的一種主要方法。近年發現幾十GeV以上的宇宙線正電子超出天體物理背景的實驗結果，認為是可能發現暗物質的證據。正電子數量超出預期暗物質的質量在幾百GeV到TeV以上。阿爾法磁譜儀-02（Alpha Magnetic Spectrometer 02）實驗的宇宙線反質子數據發佈以來，不少研究認為在10GeV以下宇宙線反質子也存在超出預期，來源在暗物質湮滅或衰變。阿爾法磁譜儀-02實驗是由諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中領導的尋找宇宙中反物質的實驗。該實驗高精度的測量了宇宙線正電子、反質子以及大量宇宙線核成分，把宇宙線實驗帶入了精確測量時代。反質子的超出似乎已經想當然，然而面臨所預言的暗物質質量和正電子超出所預言的並不一致的局面，還需要深入研究。

中國科學院國家天文台研究人員金洪波和中國科學院理論物理研究所研究人員吳岳良、周宇峰聯合發現，不存在反質子在GeV能量區域的超出。之前研究提出的超出，主要是在計算宇宙線反質子的背景時所用的基本粒子的強相互作用模型帶來的。這就意味著不存在幾十GeV量級的暗物質，不存在與正電子的預言不一致的情況。正如上圖所示，該文章使用的與實驗符合度較高的QGSJET-II-04模型在產生正電子的計算結果與傳統模型大部分能區是一致的，而反質子則與傳統模型不一致的，這說明了之前反質子在低能超出有問題的所在。左圖中藍色的曲線是被選擇產生反質子的最佳的模型，低能區域明顯高於傳統模型產生反質子的數量。

該文章基於上述模型，通過對阿爾法磁譜儀-02實驗的有關反質子等的能譜分析，研究暗物質可能的質量分佈。可以看到儘管考慮暗物質湮滅的各種途徑產生反質子的過程，暗物質的質量分佈，均在排除線以上不能接受。通過相應的反質子能譜圖，也可以看到低能區域沒有超出背景的跡象。相反對宇宙線總電子的能譜分析來看，由於存在正電子的超出，明顯看到在宇宙線總電子流量能譜上，在TeV附近有明顯的超出背景。顯然相應暗物質質量分佈存在多個末態粒子湮滅通道低於排除線，而接受，預言的暗物質的質量範圍分佈在幾百GeV到TeV以上。因此，這樣的分析結果也更加印證了通過探測TeV以上宇宙線來搜尋暗物質的相關實驗的可行性。

【圖、文：節錄自中國科學院國家天文台網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年9月24日出版的《天體物理學報》

eV = electronic voltage = 電子伏特，為能量單位。代表一帶電荷量為1.602 176 634 x 10⁻¹⁹庫侖的電子在真空中通過1伏特電位差所產生的動能。電子伏與國際的能量單位焦耳的換算關係是： 1 eV = 1.602176634×10⁻¹⁹ J