暗物质及暗物质粒子探测 - wuliaccn

物理四40卷(2011年)1期 h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 暗物质及暗物质粒子探测*

毕效军1,?

秦 波2

(1 中国科学院高能物理研究所 北京 100049)(2 中国科学院国家天文台 北京 100012

)摘 要 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(W I M P )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:对撞机探测法二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D AMA ,C o G e n t ,P AM E L A ,A T I C ,F e r m i 等实验的最新结果.

关键词 暗物质,粒子物理,宇宙线

D a r km a t t e r a n d i t s d e t e c t i o n

B I X i a o -

J u n 1,?

Q I N B o 2

(1 I n s t i t u t e o f H i g hE n e r g y P h y s i c s ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 1

00049,C h i n a )(2 N a t i o n a l A s t r o n o m i c a lO b s e r v a t o r i e s ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 1

00012,C h i n a )A b s t r a c t W e f i r s t e x p l a i nt h ec o n c e p to fd a r k m a t t e r ,t h e nr e v i e wt h eh i s t o r y o f i t sd i s c o v e r y a

n dt h e e v i d e n c e o f i t s e x i s t e n c e .W e d e s c r i b e o u ru n d e r s t a n d i n g o f t h en a t u r eo f d a r k m a t t e r p a r t i c l e s ,t h e p o p u l a r d a r km a t t e rm o d e l s ,a n dw h y t h ew e a k l y i n t e r a c t i n g m a s s i v e p a r t i c l e s (c a l l e dW I M P s )a r e t h em o s t a t t r a c -

t i v e c a n d i d a t e s f o r d a r km a t t e r .T h e nw e i n t r o d u c e t h e t h r e em e t h o d so f d a r k m a t t e rd e t e c t i o n :c o l l i d e r s ,d i r e c t d e t e c t i o na n d i n d i r e c t d e t e c t i o n .F i n a l l y ,w e r e v i e wt h e r e c e n t d e v e l o p m e n t o f d a r k m a t t e rd e t e c t i o n ,i n c l u d i n g t h en e wr e s u l t s f r o m D AMA ,C o G e n t ,P AM E L A ,A T I Ca n dF e r m i .K e y

w o r d s d a r km a t t e r ,p a r t i c l e p h y s i c s ,c o s m i c r a y * 国家自然科学基金(批准号:11075169

)二国家重点基础研究发展计划(批准号:2010C B 833000

)资助项目2010-10-26收到

? 通讯联系人.E m a i l :b i x j @i h e p

.a c .c n 1 暗物质的发现

什么是暗物质?”简单来讲,暗物质就是 在宇宙中还没有被我们 看到’的物质”.

这个解释马上会引起两个疑问:何为 看到”

?既然没有 看到”,那我们凭什么知道宇宙中存在这样的物质呢?在天文学上,技术发展最充分二设备最为先进二能力也最强大的 看”的办法就是探测来自太空不同物质发射的各种波段的电磁波,这包括从波长很长的射电波,到微波二红外二可见光二紫外,一直到近些年发展异常迅速的X 射线和γ射线的探测.没有 看到”的物质也就是指在全部的电磁波段,

我们都没有看到这类物质的电磁辐射.它们对于我们来讲是 黑暗”的.

那我们如何理解第二个问题呢?这里我们可以首先回顾一段有趣的历史.自从牛顿发现了万有引力定律以来,人们就尝试用万有引力理论来解释太阳系的行星运动规律.尽管万有引力的解释在开始是非常成功的,但在解释天王星运动时却无法得到令人满意的结果,天王星的运动规律和万有引力的预言有着明显的差异.法国天文学家U.L eV e r r i e r 和英国天文学家J o h nC o u c hA d a m s 猜测天王星的异常也许不是万有引力规律出了问题,而是在太阳系中还存在一颗当时还没有发现的行星,这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了原来预期的轨道.根据他们的预言,于1846年由G a l l e 发现了这颗行星,即海王星.由行星运动异常从而猜测到另外一颗

四

31四

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:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理四40卷(2011年)1期未发现的行星的存在非常类似今天我们关于暗物质的认识.虽然我们从来没有直接 看到”宇宙中存在暗物质,但我们却发现了由于暗物质的引力作用对其他可见的物质运动的影响,这就是我们断定宇宙中存在暗物质的理由.目前从星系到宇宙学尺度的观测都发现可观测物体运动的异常现象,由此我们推断宇宙中可能存在我们还没有 看见”的物质,即暗物质,它们通过引力效应影响了可见物体的运动.

现代意义下的暗物质概念最早是由瑞士天文学

家F r i t zZ w i c k y 提出的[1].1933年,F r i t zZ w i c k y 研

究后发星系团(C o m aC l u s t e r )中星系运动的速度弥散,他根据所测得的星系速度弥散并应用维里定理,

得到了后发星系团的质光比,发现它比太阳的质光比要大400倍左右.直观一点讲,Z w i c k y 的测量发现,星系团中各个星系的运动速度太快了,快到仅仅依靠后发星系团中的可见物质根本无法束缚这些星系.而这个星系团却是稳定存在的,这表明星系团中应该还有更多的物质,它们贡献的引力束缚了这些飞奔的星系.今天,天文学家有许多办法可以测定星系团的质量,如通过强二弱引力透镜效应,通过对星系团中弥散分布的温度高达1亿度的X 射线热气体的精确测量,以及通过星系速度分布等.这些观测无不证实了星系团中暗物质的存在.

到上个世纪70年代,

天文学家对旋涡星系进行了详细观测,才使得 暗物质”的概念最终得到了科

学界的普遍承认[2 5].

漩涡星系旋转曲线的测量是暗物质存在最直接的证据.所谓旋转曲线指的是星系中恒星绕星系中心旋转速度随着恒星到星系的中心距离而变化.通常测量到的旋转曲线在距离星系中心很远的地方会变平,并且一直延伸到可见的星系盘边缘以外的地方很远都不会下降.图1是典型的漩涡星系的旋转曲线.如果没有暗物质存在,根据开普勒定律,在距离很远的地方旋转速度会随距离下降,而测量到的图1所示的旋转曲线明显和人们根据可见物质预期的结果不同.因此,平坦的旋转曲线就意味着星系中包含了更多的物质,这些还没有被直接看到而只是通过引力效应表现出来的物质就是暗物质.

2006年,

钱德拉X 射线望远镜对子弹星系团(B u l l e tC l u s t e r

)的观测[6

],是暗物质的天文研究在近年来取得的重要结果(如图2所示).图中红色的部分(见‘物理“网刊彩图,下同)代表钱德拉卫星 看到”的重子物质的分布,而绿色的轮廓是在此之前的弱引力透镜观测给出的引力场的空间分布.

钱德拉

图1 漩涡星系M 33的旋转曲线

卫星发现,子弹星系团的两个子星系团在垂直于视线方向上,刚刚发生过一次高速碰撞,高速碰撞产生的激波波前清晰可见(图中右部的三角形).最重要的是,结合弱引力透镜观测,钱德拉发现子弹星系团中的普通发光物质或重子物质(由X 射线确定其位

置,图2中的发光部分)和两个星系的质量中心(由引力透镜观测确定其位置,图2中的曲线)并不重合.这一现象被认为是暗物质存在的直接证据,这是因为普通的重子物质间会发生很强的相互作用,而暗物质粒子之间几乎没有相互作用.因此,普通物质之间由于存在碰撞而互相粘滞,产生一定的减速效应,从而造成子弹星系团在经历了这场大碰撞后,暗物质和重子物质的空间分布出现了明显的分离.图2 钱德拉X 射线卫星观测到的子弹气团,图中发光的是重子物质,曲线代表用引力透镜观测到的引力等势能面

这个结果立即引起了学术界的广泛关注,因为这可能排除通过修改引力理论来解释所观察到的异常现象.而在子弹星系团中,人们清晰地看到了普通发光物质(或重子物质)与引力场的明显的空间分离,这用修改引力理论是不容易解释的,而引入暗物质是最自然的解释.所以子弹星系团为暗物质的存在提供了直接证据.

近年来,由于WM A P 卫星对微波背景(C M B )

各向异性的精确测量,我们可能通过拟合WM A P 的数

据,精确确定宇宙中暗物质的总量[7].

目前拟合的结果给出暗物质在整个宇宙中所占的组分大约是22%.

总之,自从暗物质的概念提出至今,人们在各种四

41四

尺度的天文观测中都发现了暗物质存在的证据.目前,暗物质的存在已经被人们普遍接受,并且成为研究宇宙中大尺度结构形成过程中必不可少的成分.

2 暗物质粒子和弱相互作用重粒子

尽管暗物质在宇宙中存在的事实得到大部分天文学家的承认,但暗物质的本质是什么,它是由什么基本粒子组成的,这些基本问题却仍未得到解决.在微观领域,人类建立了关于基本粒子的标准物理模型.这一理论告诉我们,目前已知的基本粒子是由三代的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子构成.这一理论能够精确描述目前对撞机上所有的实验现象.然而,暗物质粒子却不能被标准模型解释.因此,为了解释暗物质粒子,必须要引入超出基本粒子标准模型的二更为基本的新物理理论.

为什么暗物质问题会让粒子物理学家如此关注呢?这是因为,人们猜测暗物质的产生可能是源于宇宙早期的高温过程.在宇宙的早期,宇宙要经历一个高温的阶段.这个时候宇宙中的粒子能量要高于现在已有(甚至将来可能有)的一切对撞机的能量,这个时候新物理可能会发生作用.因此我们可以认为,早期宇宙是一个能量超出人类所能够达到的超高能对撞机,这个对撞机会撞出新的粒子并留下一些踪迹.暗物质有可能就是来自这样的新物理在经历了宇宙大爆炸后遗留下来的产物.因此,正确认识暗物质,对于人类认识物质的基本结构和基本相互作用可能起到关键的作用.这就是为什么天文学家和粒子物理学家都在关心暗物质问题的原因.

目前我们已知的物质称为重子物质,但根据天文观测,暗物质应该由非重子的冷暗物质构成.所谓冷暗物质是指暗物质粒子的运动速度非常慢,远远小于光速[8].较为流行的暗物质候选者是所谓弱相互作用重粒子(W I M P),如超对称理论粒子或额外维度空间粒子等.弱相互作用重粒子(W I M P)被广泛关注的原因在于它可以在宇宙早期自然产生:早期宇宙温度非常高,W I M P可以和其他的粒子相互作用从而达到热平衡;随着宇宙温度的降低,当暗物质粒子的速度远低于光速时,W I M P的粒子数密度随温度按指数降低,这样其反应速率也大大下降;当W I M P反应的特征尺度已经和宇宙的视界相当时,W I M P粒子就很难再相互作用,我们称其为从宇宙背景中解耦了.如果W I M P的反应截面非常大,它可以保持热平衡的状态到很低的温度时才解耦,那么它保留下来到今天

的密度就非常低;相反,如果它的反应截面太小,它保留到今天的密度就很高.W I M P粒子之间是弱相互作用,这样它们留到今天的密度和今天实际观测的结果大致相当.正因为W I M P可以在宇宙早期自然地通过热反应产生,其在今天的贡献如同宇宙微波背景一样只是宇宙温度下降的热遗迹,所以W I M P暗物质模型得到广泛的关注.

此外,从粒子物理出发,许多设法理解电弱对称破缺机制的二所谓超出标准模型的新物理理论都提供了这样的W I M P粒子,比如超对称理论中最轻的超对称粒子(n e u t r a l i n o).如果在对撞机上发现了某种新物理所预言的粒子(长寿命二中性),它很可能就是构成暗物质的粒子.反过来,如果暗物质粒子被探测到,其性质也会限制新物理模型.因此,从某种意义上来说,在暗物质问题上,宇宙学二天文学和粒子物理是相通的.

目前理论物理学家提出了很多暗物质粒子的模型,较为广泛研究的除了超对称粒子(n e u t r a l i n o)外,还有轴子(a x i o n)二K K粒子二超对称引力子(g r a v i t i n o)等.轴子是在解决强相互作用中的电荷-空间(C P)破坏问题时引入的,目前它的质量范围被实验和天文观测限制在10-6 10-3e V之间,它可以通过非热过程产生并作为冷暗物质存在.K K 粒子是额外维度空间理论所预言的,其中最轻的粒子是稳定的并可以成为暗物质.超对称引力子是指引力子的超对称伴子,由于其和普通物质的相互作用非常弱,也被称为超弱作用重粒子(s u p e r-W I M P),也要通过非热产生.

总之,目前人们对于暗物质的本质仍然很不了解,而在理论上也提出了各种各样的模型.尽管像超对称粒子二K K粒子二轴子等粒子都有非常明确的物理意义,都是暗物质粒子自然的候选者,但最终暗物质的性质还要取决于实验结果.

3 暗物质粒子的探测方法

由于暗物质粒子不参与电磁相互作用,通常的天文观测方法很难发现它的踪迹.为了了解暗物质的本质,目前的探测方法大致可以分为如下三种:首先是在加速器上将暗物质粒子 创造”出来,并研究其物理特性.由于暗物质粒子即使被 创造”出来,也不会被探测器发现,所以只能通过其他可以看见的粒子来推测出是否有这样的粒子产生.暗物质粒子在对撞机上产生的标志是能量丢失,然而由

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于暗物质粒子会带走一部分 能量”却不被探测器发现,因此我们只能从丢失的 能量”和分布来推测暗物质的性质.欧洲核子中心(C E R N)的大型强子对撞机(L H C)被认为很有可能 创造”出暗物质粒子.

第二种方法称为直接探测法.该方法是探测暗物质粒子和探测器中物质的原子核碰撞所产生的信号.由于发生这种碰撞的概率很小,产生的信号非常 微弱”.为了降低噪声,探测到这种 微弱”的信号,通常需要把探测器放置在很深的地下,以屏蔽地面上的各种干扰噪声.暗物质直接探测实验是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式之一.在目前的实验精度下,我们只可能探测到弱作用重粒子(W I M P)的信号,而更弱的信号,如轴子二超对称引力子是无法用这种方法探测的(例如,轴子的探测实验是用微波空腔,利用轴子和电磁场存在的极微弱的耦合来探测).目前我国科学家正在讨论在四川雅砻江锦屏山下的一条隧道中建设一个大型的二用于暗物质粒子探测的地下实验室.锦屏山隧道全长17k m,最大埋深2.4k m,具有得天独厚的自然优势,在这里有望建成世界上最大埋深的地下实验室.

第三种办法称为暗物质的间接探测法.间接法是观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定可见粒子,如γ射线二正电子二反质子二中微子等的信号.如果我们能够精确测量这些暗物质产生的粒子能谱,就有可能发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹.

由于暗物质的湮灭速率正比于暗物质密度的平方,因此暗物质湮灭主要发生在星系二星系团中心,或者星体内部等暗物质密度非常高的地方.暗物质的间接探测涉及到许多复杂的因素,如需要知道暗物质的分布情况二暗物质间的湮灭截面的大小以及来自非暗物质湮灭过程的背景的大小和性质,因此间接探测涉及到粒子物理二天文二宇宙学等多方面的知识.

由于高能γ射线不受宇宙空间磁场等因素的影响,可以直线传播,γ射线信号可以追溯到暗物质的 源”,所以探测暗物质粒子湮灭产生的γ射线是非常重要的探测暗物质粒子的手段.γ射线实验可以分为卫星实验和地面实验两大类,其中卫星实验的优势是本底排除非常干净,阈能低,视场大,观测有效时间长等,但其劣势则是由于探测器体积所限,其有效面积较小.地面实验可以分为大气切连科夫光望远镜和大气簇射探测器.大气切连科夫光望远镜的优势在于,可有效地排除本底,有非常大的有效观测面积和高角分辨率;劣势在于其视场窄而且观测时间受限,只能在晴朗无月的晚上观测.大气簇射探

测器的优势包括大的有效面积二宽的视场和几乎100%的观测时间;劣势则是无法区分本底宇宙线和γ射线信号,角分辨率一般.建于我国西藏羊八井地

区的二中日合作的A Sγ实验和中意合作的A R G O 实验都属于大气簇射探测实验(见图3).

图3 我国西藏羊八井宇宙线实验基地,图中左边蓝色大屋顶是中意合作的A R G O实验大厅,白色的探测器阵列是中日合作的A Sγ实验

除了γ射线信号外,目前科学家还通过探测中微子二正电子和反质子等粒子来探测暗物质粒子湮灭信号.

4 暗物质研究现状与展望

2008年,中国和意大利合作课题组(D AMA/ L I B R A)宣布,他们的地下实验发现了某种周期性变化的信号,可能就是人们长期以来寻找的暗物质信号[9].

这个实验的原理如图4所示.太阳以232k m/s 的速度绕银河系的中心旋转,而地球绕太阳的速度大约为30k m/s.这样,地球相对于银河系的速度就是两个速度的叠加.在夏天,地球的速度最大,到了冬天,速度最小.因此,我们预期,暗物质的直接探测信号也会有随着时间,以年为周期的变化规律.

D AMA实验正是看到了这样的年调制的信号,如图5所示.这些信号有可能就是我们长期以来探寻的暗物质信号.但遗憾的是,暗物质的信号至今还未被其他实验所证实.

图4 D AMA暗物质探测的原理

C o G e n t实验组用高纯度的锗探测器探测暗物

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n 图5 D AMA 实验观测到的年调制信号.

这有可能是来自于暗物质碰撞的信号质和探测器物质碰撞后的电离信号.最近,他们发现在低能电离能谱上有一些超出的事例无法解释[10].

这些超出的事例有可能是比较轻的暗物质和探测器碰撞造成的.目前有很多理论研究在探讨这些超出的可能原因,但目前仍然无法给出定论.

目前世界上有大约20家的暗物质直接探测的

实验,实验的规模在不断扩大,探测灵敏度不断提高.现在世界上灵敏度最高的暗物质探测实验应该

是美国100k g 级液氙实验[11]

,

但是到目前为止,这个实验还没有发现暗物质的任何迹象.

2008年,

暗物质的间接法实验取得了很大的进展.首先是意大利的一颗卫星P A M E L A 探测到宇宙线中正电子的成分明显超出了宇宙线物理的预期[12

],如图

6所示.

如何理解这些多出来的正电子一时成为最为热门的一个话题.人们从宇宙线在银河系的传播过程,从附近脉冲星的辐射到暗物质湮灭等,提出了许许多多的理论解释.但到目前为止,数据的精度还不高,还不足以区分理论模型.人们寄希望于将来更加灵敏的实验结果会给出一个明确的答案,如将于2011年春发射到国际空间站的阿尔法磁谱仪(A M S 02).

图6 P AM E L A 实验观测到的宇宙线中正电子的比例(红色的点),实线是宇宙线理论预期结果

此外,以中美科学家为主的A T I C 探测器在

2008年发表了宇宙线高能电子能谱的观测结果[13

]

.A T I C 发现高能电子流量在300 800G e V 能量区

间与理论模型相比高了将近3倍.美国的F e r m i

γ射线卫星也测量了几乎同能段的电子能谱[14]

.虽然F e r m i 也观测到了电子能谱的超出,但却没能证实A T I C 的能谱的形式.但无论如何,这些结果似乎都意味着某种未知的源在贡献宇宙线中的正负电子

流,但究竟是什么样的源,目前却仍然无法判别.总之,目前国际上暗物质探测的实验研究正处

在蓬勃发展的阶段,未来10年将是暗物质探测的黄金时代.现在,欧洲核子中心的大强子对撞机正在对撞获取数据,这将大大推进暗物质问题的研究.另外,随着探测器灵敏度大大提高,非加速器暗物质实

验,包括地下直接探测实验和空间间接观测实验,也有可能很快产生新的突破.一种乐观的预期是,暗物质问题在不久的将来就能基本解决,这对我们理解宇宙的演化,理解物质的基本结构和基本相互作用,都将是革命性的贡献.

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2018年山东省青岛市中考语文试题及答案(word版)

山东省青岛市二〇一八年初中学业水平考试 语文试题 （考试时间：120 分钟；满分：120 分） 说明： 1．本试题共三道大题，含22 道小题。1—7 小题为“积累及运用”，8—21 小题为“阅读”，22 小题为“写作”。 2．所有题目均在答．题．卡．上作答，在试题上作答无效。一、积累及运用（26 分） （一）基础知识（7 分） 1．下面语段中加点字的注音完全正确的一项是（）（2 分） 青岛欢迎你，五湖四海的朋友！让我们带上惬．意的微笑，迎着和煦．的微风，一起遥望无垠．的大海，一起畅游秀美的崂山，一起欣赏绚．丽的霓虹……2018，让我们相约青岛！ A．qièxīgēn xún B．qiè xùyín xuàn C．xièxùgēn xún D．xiè xīyín xuàn 2.下列句中加点词语书写完全正确的一项是（）（2 分） A．《画说青岛》这套书追溯 ．．．．的佳作。 ．．了青岛的百年历史，是“画”与“说”相德益彰 B．邓稼先历尽心血 ．．。 ．．．．，潜心研究，为我国核事业作出了杰出贡献，将被我们永远铭记 C．家风家规是先辈馈赠 ．．，值得世代传承。 ．．给我们的无价珍宝，蕴含着许多人生真缔 D．日落时分，绯红 ．．的晚霞中渔船归航，澄澈 ．．的海天间鸥鸟飞翔，别有一番韵味。 3．下列各句没有语病的一项是（3 分） A．驻青高校开展、筹备、策划的“我为峰会添光彩”活动，得到广大师生的热烈响应。 B．我国高铁建设已取得丰硕成果，但因市场规模巨大，还不能完全满足载客、物流货运。C．以互联网、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术，给人民生活带来深远的影响。D．在“经典咏流传”吟诵活动中，同学们提高了学习古诗词的热情，也增长了知识面。 （二）诗词理解与默写（11 分） 4．下列对诗歌理解有误的一项是（3 分） A．“衣沾不足惜，但使愿无违”，意思是陶渊明并不在意衣裳被夕露沾湿，他要按自己的意愿生活，不想在污浊的现实世界中失去自我。 B．“会当凌绝顶，一览众山小”，《望岳》中的这句诗，不只是诗人要攀登泰山绝顶的誓言，也是诗人要攀登人生顶峰的誓言。 C．《过零丁洋》一诗，写诗人看着寥落的群星，面对飘飞的柳絮，望着漂荡的浮萍，想到国势危亡，不禁为报国无门而悲伤沮丧。 D．“客路青山外，行舟绿水前”中的“客”指漂泊在外、旅居他乡的游子，与《约客》一诗题目中的“客”含义不同。 5．根据提示默写。（8 分） ①，可以为师矣。（《论语》） ②长风破浪会有时，。（《行路难》李白） ③，塞上燕脂凝夜紫。（《雁门太守行》李贺） ④晴空一鹤排云上，。（《秋词》刘禹锡） ⑤，西北望，射天狼。（《江城子·密州出猎》苏轼） ⑥问渠那得清如许？。（《观书有感》朱熹） ⑦夕阳西下，。（《天净沙·秋思》马致远） ⑧？因为我对这土地爱得深沉……（《我爱这土地》艾青） （三）语言运用（8 分） 6．请从下面给出的四个语句中，选择合适的句子，将四副对联补充完整，使之符合节日和对联的特点。只填序号即可。（4 分） ①银花火树开元夜②避恶遍插茱萸枝 ③几处笙歌留朗月④角粽投江祭诗魂

广西2018届高三理综下学期4月考前模拟联合试题

广西2018届高三理综下学期4月考前模拟联合试题 一、选择題：本题共13小题，每小题6分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符题目要求的。 1. 下列有关肽键的叙述，错误的是 A蛋白质中的肽键数等于或小于脱水缩合过程中的氨基酸数 B含肽键的物质都可与双缩试剂发生作用，产生紫色反应 C核糖体上可形成肽健，溶酶体内可发生肽键的水解 D肽键的元素组成为C H、O .N，其牢固程度与碳碳双键紧密相关 2. 以紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞作为观察植物细胞质壁分离和复原实验的材料，下列有关说法正确的是 A. 正在发生质壁分离的细胞，其吸水能力逐渐减弱 B正在发生质壁分离的细胞，其紫色区域逐渐缩小，颜色逐渐变深 C发生质壁分离后完全复原的细胞，其细胞液浓度最终与外界溶液浓度相同 D该实验不选择紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞作材料，是由于该类细胞不能发生质壁分离 3. 光合作用过程产生的物质中，能进人线粒体并参与有氧呼吸的是 AGH2Q B.ATP C. [H] D.O 2 4. 下列有关人体内环境稳态和生命活动调节的说法，正确的是 A. Na+对维持细胞内液渗透压有重要作用 B血浆中的HCO T, HP&等能使血浆的pH保持不变 C.在寒冷环境中，人体的产热量增加、散热量减少 D在血糖调节过程中存在反馈调节 5. 研究人员对某草原上啮齿动物多样性进行了连续8年的定点监测研究结果如下表所示。下 列说法错误的是 2002-2009

禁牧区：禁牧8年以上。轮牧区：草地采取围栏轮牧。过牧区：常年不断过度放牧) A?自然和人类干扰活动是影响物种多样性的重要因素 B可用标志重捕法调查该草原上啮齿动物的种群数量 C放牧强度对草原上啮齿动物的优势种没有影响 D食物缺乏条件下，短耳仓鼠最有可能从该草原消失 6、下列关于人类遗传病的说法，错误的是 A. 致病基因的表达是人患遗传病的根本原因 B调查某种遗传病的发病率应在人群中随机抽样 C.画遗传系谱图是确定某些遗传病遗传方式的有效方法之一 D通过染色体组型分析可以在早期发现某些遗传病 7、化学与生活、社会密切相关，下列说法正确的是 A. 高锰酸钾溶液、酒精、双氧水能杀菌消毒，都利用了强氧化性 B. 通信光缆的主要成分是晶体Si，太阳能电池的材料主要是SiO2 C. 将矿物燃料脱硫脱硝可有效防止酸雨 D. 以“地沟油”为原料生产的生物柴油与以“石油”为原料生产的柴油化学成分相似 8、下列说法正确的是 A. 分子式为GH8Q的有机物共有5种 B. 蛋白质在酶等催化剂作用下水解可得到氨基酸 C. 乙烷、氯乙烷、二氯乙烷互为同系物 D. 植物油中不可能含有碳碳双健 9、下列实验操作规范且能达到相应实验目的的是

2018年10月27日事业单位联考综合应用能力C真题与答案解析

2018年10月27日事业单位联考综合应用能力C真题与答案解析 科技文献阅读题：请认真阅读文章，按照每道题的要求作答。（50分） 从20世纪30年代至今，科学界从未停止对暗物质的探索。那么，什么是暗物质？找到它难在哪里？探索它又有何意义？2015年12月17日，由中国科学院总体研发的我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，它的一个使命就是寻找暗物质存在的证据。 一般情况下，凭借肉眼或借助工具就能看到普通物质，但暗物质是个例外。文学家茨威基研究发现：在星系团中，看得见的星系占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。 在当时，多数人并不认同茨威基的观点。不过，后来的宇宙观测结果越来越验证这一观点的可信性。因为按照万有引力原理，物体围绕中心旋转，越往外转动速度越低。但20世纪70年代，科学家在观测宇宙一些星系中的恒星运行速度时发现，往外看，围绕中心的速度并不都是衰减下去，有些和内圈恒星的速度差不多。理论上讲，越往外，物质越少，引力越小，速度也应该越低。科学家由此推测：外圈的那些能被直接观测到的、数出来的星星数目变少了，但其实内部的物质数量并没有减少，引力也没有变小，只不过没被观测到而已。这些天文观测直接看不到的物质被称为暗物质。 “虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质，但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动影响，这是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”中科院高能物理所研究员毕效军说。 暗物质的物理组成到底是什么？毕效军说，通常认为暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。与通常物质一样，暗物质也有引力作用。根据引力效应，天文学家估算，宇宙由27%的暗物质、68%的暗能力和5%的普通物质组成。这些看不见的“大多数”就像披上了隐形衣一样，使长期以来在宇宙中占比最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们存在，还不清楚它们的性质。 暗物质如何产生？毕效军认为，和普通物质一样，暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。 为了解暗物质这种存在于宇宙的隐身神秘“居民”，科学家做出了一些基于假设的理论模型，但物理学界渴望有实验研究的结果，特别是直接探测的结果，对这些理论模型进行验证。 中科院高能物理所研究员张新民介绍，国家科学界研究最多也最被粒子物理学家看好的暗物质模型是“弱作用重粒子”。主要因为这种粒子与普通物质有弱相互作用，所以具有可探测性。相比之下，其他暗物质模型，由于与普通物质的相互作用更弱，在现有的实验水平下探测到的可能性更小。 暗物质难以探测，除了不发光外，还在于它的速度快，难以捕捉。科学家测算，暗物质粒子

分别对待暗能量、分别对待暗物质的报告之三

分别对待暗能量、分别对待暗物质的报告之三：介绍刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律，与爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误。 【一】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之一：将有条件的场客加速远离，当成了无条件的场客加速 远离。换言之，将有条件的场客加速远离，当成了所 谓“宇宙速胀”。 【二】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之一：爱因斯坦们所谓“宇宙速胀”，是没有的事；而“有条件 的场客加速远离”，是确有的事。

【三】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之二：试图自所谓“爱因斯坦方程”，求解“暗能量”。【四】事实上，所谓“爱因斯坦方程”，原本不能成立。【五】“爱因斯坦方程”不能成立的原因，是；等号前方的微分张量，不能等于等号后方的非张量。 【六】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之二：克服了爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之二， 才能解出“荦谧加速能”（荦能额与谧能额）。【七】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之三：无客速的场客，不会加速远离；客速不够大的场客，也不 会加速远离。 【八】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之三：不问场客“加速远离所需的初速值”。 【九】场客盘速{（Rcosθ）φ速}为零、场客局纬速（Rθ速）也为零时，刘辰楼的场客局速算式，表明：R加速度 〒-（荦能额对R的偏导数）c平方exp（4荦能额+2 谧能额）+（3荦能额对R的偏导数+谧能额对R的偏 导数）R速平方。 【十】加速远离，就是：R加速度＞0。 【十一】所以，“加速远离所需的初速值”，其平方，R 速平方＞{（荦能额对R的偏导数）/（3荦能额对R 的偏导数+谧能额对R的偏导数）} c平方exp（4荦

隐性的粒子世界

·46卷(2017年)6期 图1 在早期宇宙中，暗物质(DM)粒子的热能比静能大得多，此时标准模型物质 (SM)与暗物质(X)处于热平衡，即：过程(a)SM+SM →X+X 和其逆过程(b)的反应速率相等。随着宇宙的冷却，标准模型粒子的碰撞再也没有足够的能量产生重的暗物质，但是X 仍然会湮灭为SM(c)。因此，暗物质的量急剧减小。当宇宙继续冷却到更低温度，暗物质变得太稀疏而无法湮灭为SM ，所以会冻结并留存到今天(d)。暗物质与标准模型粒子的耦合程度，既决定了暗物质在早期宇宙中的湮灭速率，又决定了暗物质散射标准模型粒子的截面。前者影响暗物质的残留丰度，而后者影响人们对暗物质的直接探测。不同于流行的弱相互作用大质量粒子(weakly interacting massive particle ，WIMP)，微弱作用大质量粒子(feebly interacting massive particle ，FIMP)并非一开始就存在，而是由长寿命粒子B 衰变产生。粒子B 与标准模型粒子在早期宇宙中处于热平衡，但是B 粒子也会衰变为SM 和X(e)。即使宇宙极早期的年龄比B 粒子的寿命小得多，仍然有一小部分B 粒子会衰变，所以暗物质的量一直在增加。随着宇宙的冷却，B 粒子几乎完全湮灭为标准模型粒子(f)，之后暗物质一直保留下来(g)。FIMP 版本中暗物质的残留丰度由B 粒子的寿命决定，其典型值为毫秒量级 (北京大学来小禹、徐仁新编译自David Curtin ，Raman Sundrum.Physics Today ，2017，(6)：46) 为何存在物质而非虚空？这一问题既有深度又有广度，似乎超出定量刻画的范畴。而又令人惊讶的是，该问题可在粒子物理框架内描述并至少部分地解答。 标准模型(standard model ，SM)是描述物质及其相互作用的基本理论。几十年来，以相对论量子场理论为基础而建立的这个理论体系经受住了高能对撞机的各种实验检验。然而，依据如下三方面的分析，我们会发现SM 并不能解释宇 宙中所有的物质。 首先是等级问题。宇宙中物质大多聚集形成丰富的结构而非塌缩成黑洞，这表明我们所熟知的粒子都极其轻，局部引力很弱。SM 中的希格斯理论要求，基本粒子的质量小于电弱质量(几百GeV/c 2)。然而，如果考虑引力，电弱质量却受到普朗克质量(1018GeV/c 2)量级的修正。这两个能标的巨大差异称为“等级问题”。人们试图用新物理来解决等级问题，包括超对称、希格 斯玻色子有结构等。这些理论预言大型强子对撞机(Large Hadron Col-lider ，LHC)上会有新物理的信号。 其次是正反物质不对称问题。经过宇宙极早期的动力学演化，每十亿个正反粒子对最终会多出一个正粒子。这一微小的超出构建了我们今天的世界。因为SM 给出的超出要小好几个数量级，所以正反物质不对称问题也依赖于未知的粒子和相互作用。为此，理论物理学家已经提出了一些可能性，包括新的希格斯玻色子和修正的希格斯耦合等。这些都可能被LHC 探测到。 再者是暗物质本质的问题。综合天体物理和宇宙学的若干观测证据显示，暗物质构成了宇宙中约80%的物质。暗物质是什么？它跟SM 有什么联系？我们还没有明确的答案。流行的观点认为，暗物质与普通物质之间有微弱的相互作用。持这一看法，人们可以直接(利用核反冲装置)或间接(在宇宙线中 寻找暗物质湮灭为SM 粒子的证据)测量暗物质粒子(图1)。 这三个问题驱动着粒子物理的实验和理论研究。为揭示这些奥秘，实验搜索正在努力开展，但只得到零结果。这并不意味着毫无发现。相反，零结果可引导我们认识宇宙的另一面——可能的隐性部分：完全不一样的粒子和作用力，跟SM 仅微弱耦合。这些新粒子并非无关紧要，而是有助于解决以上三大难题。它们表现微妙且不易发现，而人们只能依据它们的隐性特 至今尚未发现的神奇粒子事件将揭示自然界最深奥的秘密。··390

基础巩固练13

基础巩固练(十三) 阅读下面的文字，完成1～3题。 随着暗物质粒子探测卫星“悟空”号成功飞天，推开了一扇寻找暗物质幽灵的新窗口，确保在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上分辨出高能电子和测量它们的能量来源奠定坚实的基础。人们赋予它这个诗意的别称“悟空”，()。 中科院院士吴岳良说，根据最新天文观测结果，宇宙是由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成的。暗物质不发光，不发出电磁波，从来没有被直接“看”到过。对于神秘的暗物质，科学家迫切想知道它到底是什么，对它们的研究很可能会引发科学上的革命。 与暗物质________的，不只有光，还有普通物质，他们靠分子和原子之间的电磁力组装在一起。也正是通过这样的电磁作用，我们才能够触摸到这个大千世界。而暗物质，对这样的电磁作用，根本就________。 在运行的头530天里，“悟空”号果然________，一共记录到28亿个高能粒子，从中分辨出150万个高能电子，测量了它们的能量和来源方位。以高置信度观测到了能谱在TeV 处的拐折行为，从________的乱象中抓住了一条关键线索，或许能够帮助我们认清这个幽灵的真面目。中科院院长白春礼认为，“悟空”成果的取得，表明中国科学家已经从自然科学前沿理论的学习者、继承者、围观者，逐渐走到了舞台中央。 1．文中画横线的句子有语病，下列修改最恰当的一项是() A．暗物质粒子探测卫星“悟空”成功飞天，推开了一扇寻找暗物质幽灵的新窗口，确保在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上分辨出高能电子和测量它们的能量来源奠定坚实的基础。 B．随着暗物质粒子探测卫星“悟空”成功飞天，推开了一扇寻找暗物质幽灵的新窗口，为在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上分辨出高能电子和测量它们的能量来源奠定坚实的基础。 C．随着暗物质粒子探测卫星“悟空”成功飞天，推开了一扇寻找暗物质幽灵的新窗口，确保在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上分辨出高能电子和测量它们的能量来源。 D．暗物质粒子探测卫星“悟空”成功飞天，推开了一扇寻找暗物质幽灵的新窗口，为在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上分辨出高能电子和测量它们的能量来源奠定坚

暗物质的解释

暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中84.5%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的10%不到（约5%）。暗物质无法直接观测得到，但它能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。 暗物质的存在一经证实，意味着人类首次发现了暗物质存在的形式，将是物理学的重大突破。暗物质被称为“世纪之谜”。它“霸占”了宇宙95%的地盘，却摸不到看不着，甚至让爱因斯坦都迷糊了，否认了它的存在。令人兴奋的是，经过10年观测，紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的“足迹”——高能电子，这可能是暗物质存在的一个有力证据。 学界轰动——什么是暗物质？ 看不见、摸不着、重如山？ 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，还存在其他引力。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。平常人很难理解暗物质，常进告诉记者：“这个物质很奇怪，不仅本身不发光，而且光线也射不进去，所以人是看不到的。最令人惊讶的是，它虽然摸不到，却有重量和引力。” 常进介绍，最新的天文观测表明，宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量，其中暗物质占宇宙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。 有趣的是，爱因斯坦曾提出暗物质这个概念，又被他自己否定了，原因很简单，他认为暗物质破坏了他的经典论著《相对论》的优美。 据国外媒体报道，暗物质是宇宙中最为神秘的物质之一，我们无法通过肉眼看到暗物质，更重要的是暗物质在宇宙质能中占据了很大一部分，科学家此前发现在银河系周围也存在大量的暗物质。 黑洞银河系中央就是黑洞，很奇怪，在靠近黑洞表面的时候，时间似乎停止了，光到那里也不走了，一切就好像停住了 量子力学研究最小物质的理论 弦理论弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”。认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，

暗物质与暗能量的统一性研究

暗物质与暗能量的统一性研究 发表时间：2019-06-10T14:58:52.437Z 来源：《知识-力量》2019年8月27期作者：张天成[导读] 随着世界的不断发展，暗物质和暗能量在粒子物理和宇宙学研究中越来越引起了大家的关注和重视。这是在21世纪中两个重大的科学问题。本文首先简单介绍了暗物质的基本定义和特点，暗能量的基本定义与特点，阐述了暗物质与暗能量统一的理论模型，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。 （马来亚大学） 摘要：随着世界的不断发展，暗物质和暗能量在粒子物理和宇宙学研究中越来越引起了大家的关注和重视。这是在21世纪中两个重大的科学问题。本文首先简单介绍了暗物质的基本定义和特点，暗能量的基本定义与特点，阐述了暗物质与暗能量统一的理论模型，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。 关键词：暗物质；暗能量；统一性；研究 一、暗物质的基本定义与特点 暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运牛顿万有引力的现象动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。由于暗物质的神秘，现在世界上产生了不同的物理理论说法。一种是说暗物质就是一种具有质量的可以相互作用但是作用力非常微弱的粒子。这种说法目前被物理学家们广泛的接受和认可。其质量与相互作用强度在电弱标度附近，在宇宙膨胀过程中通过热退耦合过程获得目前观测到的剩余丰度。但是也有另一种说法，是说暗物质是由轴子，惰性中微子等这些类型的粒子组成。 暗物质的存在已经得到了广泛的认同,然而目前对暗物质属性了解很少。目前已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面：目前大部分物理学家对暗物质的存在都有一定的认同，但是暗物质的特点都有哪些，这些物理学家知道的还不太多。目前所了解的暗物质的特点主要表现在以下几个方面：第一，暗物质是一种有质量的粒子，暗物质之间可以相互产生引力，但是暗物质的质量大学目前还是个未知数。第二，暗物质具有很强的稳定性。因为通过研究发现，暗物质几乎存在于宇宙形成各个阶段，在宇宙结构形成的各个过程都有暗物质的存在，所以暗物质应该是在能宇宙上稳定的存在的。第三，暗物质之间的产生的相互作用力非常弱。暗物质和光，电等之间产生的作用特别小，几乎看不出。我们从原初核合成可以看出。如果相互作用力大的话，这个过程就会受到刺激和扰动。将导致暗物质的元素产生一系列的变化，会使得观测结果不一致。第四，我们通过电脑模拟宇宙大尺度结构的形成过程中发现，暗物质的运动速度远远低于光速，即“冷暗物质”，不然我们的宇宙无法在引力作用下形成目前观测到的大尺度结构。因此，目前我们所知道的暗物质粒子还不一定是准确的，也是不属于我们已知的任何一种基本粒子。这对当前极为成功的粒子物理标准模型构成挑战。 二、暗能量的基本定义与特点 暗能量存在于宇宙运动中，它通过自身的引力作用推动宇宙运动，由于暗能量目前还不能吸收光，也不可以反射或者说辐射光，因此，截止到目前，人们还不能利用现在的技术对暗能量进行监测。但是暗能量可以与光产生一种中和作用，这种作用可以影响到同级暗能量的分布范围。当暗能量与光反应时，会对作用域的时间产生影响，绝对速度v0>c，此时作用域的能量E产生跃迁，根据E=mc2，作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断发生的中和反应，作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小，出现宇宙膨胀。随着宇宙膨胀可以伴着时间的变化而变化，那么宇宙膨胀的高精度测量对我们来研究宇宙增加了很大的困难，在广义相对论中，我们发现，宇宙的膨胀速度主要由宇宙状态的方程式决定，如何确定暗物质和暗能量的状态方程式是宇宙学比较关注的问题。 三、暗物质与暗能量统一之宇宙大爆炸 “大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。通过暗物质和暗能量的基本定义和特点阐述来看，我们发现暗能量的产生与暗物质不可分割。暗物质与暗能量的统一可以从宇宙大爆炸模型来说。最初的宇宙起源于密度特别大的奇点，这个奇点会在某个时刻存在不平衡的状态，这时候就产生了第一次大爆炸。但是这次大爆炸一直都没有被发现，因为没有任何明显的现状，奇点并没有破碎，但是奇点在力的粒子和周伪散落，慢慢地奇点失去合力产生了第二次大爆炸，这次的爆炸导致整个奇点破碎了，暗物质与重子物质也随之散开，冷却后形成了现在的宇宙。这就是著名的宇宙大爆炸。这时候宇宙中的各种天体在暗物质的引力下迅速膨胀，宇宙中的重子物质和暗物质圈几乎重叠在一起，宇宙就开始不断收缩，最后塌陷到奇点，时间再次回到原点。 结论 “宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。虽然我们看到暗物质的作用力方向和暗能量的方向完全相反，但是这种现象有很大可能是由同一种物质导致的，很大可能就是本文所讲述的暗物质。这种物质在内部主要呈现出引力的作用，在外部主要呈现出反引力。通过研究暗物质与暗能量的统一性分析，也发现这个理论对宇宙大爆炸现象有很强的说服力。参考文献 [1]周烨.浅谈暗物质与暗能量要求及新技术的应用[J].山东工业技术,2019(06). [2]孙彩虹.暗物质与暗能量在物理系统中的应用解析[J].通信电源技术,2018,35(10). [3]张晓丽.暗物质与暗能量在物理系统中的运用分析[J].科学技术创新,2018(28). [4]刘振宗,陈智远.暗物质与暗能量统一性研究分析[J].技术与市场,2018,25(12). [5]李思明,王宇翔.暗物质与暗能量研究[J].科技风,2018(31). [6]李苏.试论暗物质与暗能量统一性模型研究[J].科技与创新,2018(18).

直接探测暗物质

直接探测暗物质 马欣华 一、为什么相信有暗物质存在？ “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、Z 0、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。这样，这些物质就都在“明”处了，即人们能在实验室里用探测器（当然是由“明物质”构成的）探测到其存在或者曾经存在，这就是现代物理学的实验基石。大家可以想出一些例子，比如居里夫妇发现放射性元素，卢瑟福测出原子结构，LEP精确测量Z0、W±质量等。 而暗物质不同，它不是在实验室里对微观世界进行研究时产生的概念，而是来自于天文学观测这一宏观领域，由兹维基（F. Zwicky）早在70多年前就提出了。这似乎又回到了牛顿时代，牛顿正是从前人对太阳系活动的观测结果中发现万有引力定律的。出个最基本的大学普通物理习题吧（做个积分马上见分晓）：在万有引力作用下，如果星系的质量大部分都集中在星系中心，那么一颗位于星系中心以外的恒星绕中心旋转的速度随恒星到中心的距离如何变化（所谓旋转曲线）？而如果星系的质量分散在整个星系，换句话说，这颗恒星穿行在一个质量球中，那么速度和距离的关系又是怎样呢？对恒星速度的观测表明，星系的质量并不集中在星系中心这一星系中最亮的、也就是说恒星最多的地方，而是分散在整个星系晕中，这就说明了星系中大部分质量是“暗”的。还不仅仅是这一个证据，对星系、星系团、引力 透镜、宇宙大尺度 结构的观测结果 都表明，宇宙中大 部分物质是暗物质。（不过还有另外的一个思路来解释这些天文现象，就是修改引力理论，即MOND，本文暂不涉及这方面。） 天文观测表明，暗物质有质量，至少参与引力相互作用，不参与电磁作用和强相互作用，可能有弱的相互作用（与四大相互作用中的弱相互作用并不相同），而且暗物质不是重子物质。到目前为止，人们所了解的暗物质的性能特点就这些了，而且暗物质参与的作用如此之弱以至于很难观测到，这就给予理论以弹性很大的想象与发挥空间。理论预言的暗物质粒子类型让人眼花缭乱，不仅质量可轻可重，而且还可热可温可冷，即运动速度可以是相对论的、近相对论的或者非相对论的。热暗物质的候选者是中微子；温暗物质的候选者是sterile neu-trinos、gravitinos和axino；冷暗物质的候选者是超对称模型预言的neutralino、轴子、类轴子粒子。 二、怎样才能捉到暗物质？ 既然暗物质粒子作用如此之弱，那么还有可能抓到它吗？物理学家的信念是：暗物质粒子肯定不是孤家寡人，而是一定会和周围已知粒子发生作用，并且暗物质粒子的存在能够在已知粒子的存在、变化形态上反映出来，作用再弱也一定能够被观测到。更进一步的，物理学家相信可以用费曼图描述相互作用，如图1所示，暗物质粒子可以和已知粒子产生未知的相互作用，三个箭头代表三种可能的反应过程： 1. 两个已知粒子碰撞产生两个暗物质粒子（向左箭头）。这可以在对撞机实验上产生。目前全世界最大的对撞机LHC的一个重要物理目标就是希望在高能质子对撞产生的次级粒子中找到暗物质。 2. 两个暗物质粒子湮灭产生两个已知粒子，比如γ、正电子、反质子（向右箭头）。高空气球实验、卫星实验对各种宇宙线成分的能谱进行观测，查看是否有无法解释的对本底的超出，这种观测方式被称为暗物质的间接探测。 ·30 ·现代物理知识

(全国通用)2017届高考物理二轮复习选择题模拟小卷(七)

选择题模拟小卷(七) 选择题(本题共8小题，每小题6分。在每小题给出的四个选项中，第14～18题只有一项符合题目要求，第19～21题有多项符合题目要求。全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分。) 14．粗糙的水平地面上有一只木箱，现用一水平拉力拉木箱匀速前进，则( ) A ．拉力与地面对木箱的摩擦力是一对作用力与反作用力 B ．木箱对地面的压力与地面对木箱的支持力是一对平衡力 C ．木箱对地面的压力与地面对木箱的支持力是一对作用力与反作用力 D ．木箱对地面的压力与木箱受到的重力是一对平衡力 解析 拉力与地面对木箱的摩擦力作用在一个物体上，是一对平衡力，A 错；木箱对地面的压力与地面对木箱的支持力分别作用在地面和木箱上，作用在两个物体上，不是一对平衡力，B 错，C 正确；木箱对地面的压力与木箱受到的重力方向相同，作用在两个物体上，不是一对平衡力，D 错。 答案 C 15．2015年12月17日，我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心成功发射升空，将去太空寻找暗物质存在的证据，这是人类在探索宇宙核心秘密的进程中迈出的又一重要步伐。若“悟空”绕地球运行n 圈所用的时间为t ，已知地球表面的重力加速度为g ，地球半径为R ，则“悟空”在圆轨道上运行的速率为( ) A.2πnR t B.2πngR 2 t C.32πngR 2 t D.42πngR 2t 解析 “悟空”的运行周期T ＝t n ，由万有引力提供向心力有G Mm r 2＝m 4π2 T 2r ，对地面上的物体有G Mm ′R 2＝m ′g ，联立解得r ＝3gR 2t 24π2n 2，故v ＝2πr T ＝32πngR 2t ，C 正确。 答案 C 16．已知动车进站前关闭发动机做匀变速直线运动，运动过程中先后经过A 、B 、C 、D 四点，如果测出AB ＝500 m ，BC ＝400 m ，测得动车通过AB 段与通过BC 段所用的时间相等，动车运动到D 点时恰好停住，则下列说法正确的是( ) A ．动车经过A 点时的瞬时速度为100 m/s B ．动车关闭发动机后做匀变速直线运动的加速度大小为10 m/s 2

论述明物质与暗物质

论述明物质与暗物质 论述明物质与暗物质 物理学中将物质分为明物质与暗物质，其中明物质是人们能够观察到的物质，暗物质是人们不能利用、不能观察的物质，人们一定会问，既然是物质，为什么会存在人们观察不到的物质，会有暗物质存在，对暗物质说到底它是什么物质，它是由什么物质组成的，为什么不能让人们看到，暗物质存在到什么空间里了，如何才能找到暗物质，暗物质与明物质间能不能相互转化，如果能转化，能不能将明物质突然转化为暗物质，让人们看不到这个物体，或者是将暗物质突然转化为明物质，让人们看一看等等。 如果有哪一位科学家能够将明物质突然转化为暗物质，让这种物质进入人们所说的“另一个空间”，或者是将暗物质突然转化为明物质，让这种物质从人们所说的“另一个空间”中回来，在这个世界上可真是一件新闻，随着人们科学技术的完善，这一天总会到来。 对明物质与暗物质的认识，可以这样认为，明物质与暗物质都是由分子原子组成的，这一句话相信的人非常少，因为人们会提出这样的疑问，既然明物质与暗物质都是由分子原子组成的，为什么它们的物质特性会有这么大的差别，明物质可以被人们利用和观察，而暗物质却不能被人们利用和观察，是的，物质到底是明物质，还是暗物质，并不是取决于这种物质本身是由什么内容组成的，而是取决于物质与环境相互作用的光子信息能量，如果物质与环境相互作用光子信息能量，这种物质就能够被人们利用和观察，它就是明物质；如果这种物质不能与环境相互作用光子信息的能量，这种物质就是暗物质，所以说无论是暗物质还是明物质，都可以说成是由分子原子组成的，它是由于光子信息团构成的。 人们又会问一个常规问题，在什么时候是明物质，在什么时候是暗物质，这里可以说是有长期暗物质，有短期暗物质，也可以说成是有绝对暗物质与相对暗物质，事实上绝对暗物质，或者说真正的暗物质是不存在的，绝大多数是相对暗物质。 我们前面已经说过，物质是不是暗物质，是不是存在，并不是决定于它本身的构成，而是决定于它与环境相互作用光子信息的能量强度，如果它作用的光子信息能量强度比较大，达到人们观察利用的灵敏度，它就是明物质，相反，如果它与环境作用的光子信息能量强度特别小，达不到人们观察利用的灵敏度，它就是暗物质，所以如果环境中一个光子都没有，或者说环境中没有一个光子通过个区域，物质就是存在，物质也不能与环境作用光子信息，物质就不能表现自我，可以说物质就不能存在，物质就是暗物质

暗物质和暗能量是如何形成的解读

暗物质和暗能量揭秘开始想写这篇文章，源于多年对宇宙物理学的浓厚兴趣。对于宇宙如何诞生，演化也有一些自己的观点。特编写出来和广大宇宙物理爱好者共研。由于本人水平有限，不妥之处请朋友谅解，不胜感激。 1.宇宙的本质是什么？宇宙万物及我们人类存在于广阔无艮的宇宙之中，我们大多数人也许不会去思考的一些问题—宇宙为什么能存在？为什么会有宇宙？其实中外古今有许多人是对这个问题进行过探讨，如我国的盘古开天辟地，轻清上浮为天，重浊下沉为地，天地间隔随时间不断加大，女娲抟土而造人的理论。西方的上帝创造宇宙，再创造了一个男人亚当，用亚当一根肋骨创造出第一个女人夏娃的理论。当然还有其他创世神创世等各种学说。这些学说我们先不要妄言其一定是谬的，可是都有一个共同的不解之处，那就是创世神是存在于哪里，创世神所在那个世界又是怎么来的？如果不能解释这个问题，那这些理论就不是成熟的理论了。现在有一个理论认为宇宙是起源于一次大爆炸，宇宙是从一个几乎无限小的奇点大爆炸而产生的，这就是著名的宇宙大爆炸起源理论。1929年，美国天文学家哈勃通过观测遥远星系的红移提出星系的红移量和星系的距离成正比的哈勃定理，并推导出星系都在远离的宇宙膨胀学说。大爆炸宇宙论是一种观测证据最多，最获公认的现代宇宙理论。大爆炸宇宙论很好地解释了为什么会有宇宙，但还有一个问题不能解释，那就是宇宙为什么能存在？宇宙万物得以存在如果没有任何依据，难道不是一件不可思议的事情吗？因此我认为一定会存在一种与构成宇宙的要素属性相反，能相互抵销的要素。我们把构成宇宙一切物质和能量的要素称为原力，把我们所在的宇宙定义为正宇宙，那么与原力相反属性的反原力构成的宇宙就是反宇宙。原力是构成物质和能量的最基本单位，所以不管物质粒子结构多么复杂，原力却是最简单、最单纯的，它没有内部结构，因为如果有内部结构就不能算是基本单位了。因此既使最多量的原力都能集合于无限小的空间之内，是构成宇宙一切的唯一素材。值得一提的是，原力不是力，但宇宙一切运动因它而起，故称之原力。因此，我认为宇宙的本质是虚无的，可以用0=（+X+(-X表示，+X表示宇宙正原力总量，-X表示反宇宙反原力总量。正反原力在理论上可以抵销湮灭，正原力和反原力绝对一样多。其实古人们对于宇宙虚无本质早有论述，周易中说：“无极生太极，太极生两仪”，就是说虚无诞生无限多，无限多有

暗物质暗能量的理论研究和实验预研

项目名称：暗物质暗能量的理论研究和实验预研首席科学家：吴岳良中国科学院理论物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月 依托部门：中国科学院

一、研究内容 拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括： 本项目围绕暗物质和暗能量本质开展理论研究和实验探测的可行性分析, 充分利用已有的研究基础，从以下五个方面开展深入系统的研究： 1、暗物质的理论研究及相关新物理唯象 研究各种新物理模型，包括最小超对称模型及其变种和推广模型，额外维度模型，Little Higgs模型，各种类型的Hidden Sector模型，标准模型的最小推广（多个Higgs模型）中WIMP暗物质的湮灭及衰变过程的性质。在满足暗物质剩余丰度的条件下研究其湮灭或衰变产物，如正电子，反质子，高能中微子，光子的信号特点，为空间间接探测实验提供理论依据。同时重点关注未来实验可能观测到的高能中微子及光子信号。在对现有实验结果的研究中,由于PAMELA 没有观测到反质子的超出，这表明暗物质的主要湮灭道为带电轻子而非规范粒子或夸克，这就给一些暗物质模型如最小超对称模型带来了一定的困难。对此，需要对模型的参数空间进行更详细的研究。同时，也需进一步研究构造以轻子为主要湮灭道的理论模型。另一方面，为了解释PAMELA和ATIC上观测到的正负电子超出，暗物质在地球附近的密度分布要比通常由热力学残余丰度给出的大出2-3个数量级。如何构造模型能同时满足这两方面的要求是研究的重点之一，将首先研究已知的可能解释实验现象的一些机制，如量子索末菲效应和共振态增强效应等。 寻找和发展更有效探测暗物质的方法。通过对自旋相关与自旋无关的散射截面确定暗物质的基本属性。研究DAMA实验的正结果和其它实验如CDMS和Xenon 给出的零结果是否一致及其它们的物理原因。鉴于DAMA的实验结果，探寻可能存在的统一解释目前所有直接探测实验结果的暗物质－核子相互作用机制。研究非弹性散射和测量仪器靶物质的相关性等。 综合正负电子对撞机LEP上的Z产生和衰变，希格斯粒子质量限制，额外规范粒子的研究，及低能实验如μ子反常磁矩，b→sγ，B →μ+μ-和味道改变中 s

2020年智慧树知道网课《粒子宇宙学》课后章节测试满分答案

第一章测试 1 【多选题】(1分) 平时怎样的课后工作有助于提高对本课程的理解 A. 多讨论 B. 多做练习题 C. 写文献阅读报告 D. 阅读相关文献 2 【多选题】(1分) 推荐的文献查阅网站有哪些 A. i nspirehep B. b aidu C. a rxiv D. c nki

第二章测试 1 【多选题】(1分) 标准宇宙学认为我们宇宙的三维空间几何可能是 A. 三维双曲面 B. 三维椭球面 C. 三维平面 D. 三维球面 2 【多选题】(1分) 下列哪些项是标准宇宙学认为的宇宙经历过的时期 A. 暗能量主导时期 B.

中子星主导时期 C. 物质主导时期 D. 辐射主导时期 3 【单选题】(1分) 下列哪一项天文观测无法支持宇宙学原理的假设 A. 宇宙微波背景辐射（CMB）的观测 B. 宇宙大尺度结构的观测 C. 宇宙中射电点源的分布 D. 对日食月食的观测 4 【单选题】(1分) 哈勃参数的物理含义

A. 描述宇宙膨胀的速率 B. 描述宇宙的均匀程度 C. 描述宇宙的各向同性程度 D. 描述宇宙的大小 5 【判断题】(1分) 光度距离等于角距离 A. 对 B. 错 6 【单选题】(1分) 标准宇宙学认为描述我们宇宙整体演化的方程是 A.

牛顿万有引力方程 B. 爱因斯坦方程 C. 薛定谔方程 D. 麦克斯韦方程 7 【判断题】(1分) 哈勃定律只在低红移处近似成立 A. 错 B. 对 8 【单选题】(1分) 描述我们宇宙背景的度规是 A. 克尔度规

B. FRW度规 C. 闵可夫斯基度规 D. 史瓦西度规 9 【判断题】(1分) 宇宙学原理是说我们宇宙在小尺度上是均匀且各相同性的。 A. 错 B. 对 10 【判断题】(1分) 一个张量场如果是均匀的那么也一定是各向同性的 A. 对 B.

如何探测暗物质

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/722658612.html, 如何探测暗物质 作者：郭红锋 来源：《军事文摘·科学少年》2020年第01期 暗物质真的“看不见”吗？目前科学家对暗物质的研究有哪些进展呢？原来，暗物质的所谓的“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论人们探铡什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射戮、伽马射线等，都看不到它。不过，虽然暗物质粒子与常规物质仅有微弱的相互作用，暗物质粒子也有可能被精密的实验仪器探测到。目前科学家采用的探测手段可以分为3类：一是探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用，称为“直接探测”;二是寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，称为“间接探测”;三是探寻粒子对撞机中人为产生的暗物质粒子，称为“加速器探测”。 如果暗物质是由微观粒子构成的，那么每时每刻都应该有大量的暗物质粒子穿过地球。如果其中1个粒子撞击了探测器物质中的原子核，那么探测器就能检测到原子核能量的变化并通过分析撞击的性质了解暗物质属性。然而，对于弱相互作用重粒子来说，由于它们与普通物质之间的相互作用极其微弱，被探測器捕捉到的概率也十分微弱。为了最大限度地屏蔽其他种类宇宙射线的干扰，暗物质直接探测实验往往在地下深处进行。目前，全世界有数十个暗物质探测实验在进行，包括一些暗物质地下实验。其中，位于我国四川的锦屏暗物质地下实验室，作为世界上埋深最大的暗物质地下实验室，具有得天独厚的优势。 既然在银河系中存在着大量的暗物质粒子，那么应该可以探测到它们湮灭或衰变所产生的常规基本粒子。间接探测就是在天文观测中寻找这种湮灭或衰变信号，包括宇宙线中的高能伽马射线、正负电子、正反质子、中子、中微子以及各种宇宙线核子。采取间接探测手段的实验可以利用卫星或空间站搭载的空间探测器直接收集宇宙线粒子，再通过高精度测量宇宙线的电子能谱，来寻找暗物质粒子湮灭的信号。2015年中国发射了暗物质粒子探测卫星“悟空号”，目前卫星在轨运行状态稳定，已获取了大量数据。 最后一种寻找暗物质的方法是在实验室里产生暗物质粒子。在高能粒子对撞实验中，可能会有尚未被发现的粒子包括暗物质粒子产生出来。如果对撞产生了暗物质粒子，由于其难以被探测器直接检测到，会导致被探测器检测到的对撞产物粒子的总能量和动量出现丢失的现象，这是产生了不可见粒子的一个特征。再结合直接或间接的探测手段，就可以帮助科学家确定对撞机中产生的粒子是否为暗物质粒子。

中国暗物质卫星“悟空”诞生记

中国暗物质卫星“悟空”诞生记 发布时间：2015-12-17 11:04:36 | 来源：中国新闻网 | 作者：张素 | 责任编辑：苏向东中新社酒泉12月17日电题：中国暗物质卫星“悟空”诞生记 得名于中国古典名著《西游记》里的孙悟空，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”17日在酒泉成功发射。记者综观此“悟空”诞生始末，与家喻户晓的“美猴王”倒真有几分相似。“悟空”出世 《西游记》开篇云：“有一座花果山，山上有一仙石，石产一卵，见风化一石猴，在那里拜四方。” 暗物质粒子探测卫星“悟空”始于2011年1月11日正式启动的首批战略性先导科技专项。该卫星首席科学家常进介绍，卫星体积为1.5米×1.5米×1.2米，整星质量1.85吨，从顶部到底部主要由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器构成，“四种探测器一层层组装，像是一个倒立的四层蛋糕”。 为提升该卫星的关注度，科学家们通过网络公开征名，共收到有效名称方案32517个。在数据统计的基础上经过专家评委投票，由中国科学院批准，正式命名为“悟空”。 来自宁波市天文爱好者协会的林磊是“悟空”提名者之一，他解释“既借助孙悟空的‘火眼金睛’形容探测器识别暗物质，也因‘悟空’与‘嫦娥’、‘天宫’一样均是明显的中国符号”。神通广大 传闻孙悟空拜菩提祖师为师，习得七十二变、筋斗云等技艺。“悟空”暗物质粒子探测卫星也不遑多让。常进说，卫星有效载荷达1.4吨，整体结构复杂，共包含近8万路电子学信号通道，“这是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器”。 暗物质粒子探测卫星工程卫星系统总师李华旺说，四种探测器各有所长。比如塑闪阵列探测器采用了中国自主研制的世界最大闪烁体，BGO量能器里有308根中国科学家培养出的世界最长BGO晶体。 “悟空”的本领已得到多方肯定。在方案阶段至正样阶段，它曾赴欧洲核子中心进行了4次束流标定试验。卫星系统副总设计师安琪形容这个过程“就像是拿自己的秤去国家计量单位校准”，最终确定“悟空”观测能段范围覆盖0.5GeV—10TeV。 “悟空”还很“物美价廉”。它的研制费用是已有的阿尔法磁谱仪2号的1/20，是美国FERMI 卫星的1/7。 飞天取经 《西游记》里的孙悟空随唐僧历经九九八十一难，从西天取得真经。“悟空”暗物质粒子探测卫星也承载重任，要到茫茫宇宙求证暗物质的存在。 12月17日，“悟空”搭乘长征二号丁型火箭顺利升空，进入高约500千米的太阳同步轨道。李华旺说，接下来将进行卫星在轨测试，“对载荷进行在轨数据测量，确保传下来的数据都是真实准确的”。 根据设想，卫星将围绕地球旋转，四层科学探测器面朝太空，全面接受来自四面八方的高能电子和伽马射线。它日均观测500万个高能粒子，每日传回数据量约16G。 “卫星将观测暗物质粒子和暗物质粒子相互作用。”常进说，比如暗物质湮灭或衰变的产物，反推暗物质的物理性质及空间分布。常进曾研制出小探测器，搭载长期停留大气层上空的气球，观测到高能谱段的“奇异现象”。他期待“悟空”在太空积累更多数据，一旦勾勒出的“伽马射线能谱”反映出与以往类似的谱线极段等特征，意味着获得暗物质粒子存在的强有力证据。 斗战胜佛