§6 暗物质和新粒子

宇宙中有许多螺旋状星云，这是一些巨大的星系，在引力的作用下绕星系的质量中心旋转，像一个巨大的太阳系那样，观察其中某一部分的运动速度 v，按照力学估算，引力等于向心力

G N =

即

Mm =

r 2

mv²

r ，

v² =

G N M r ,

其中 r 是这部分星体到星云中心的距离，M 是这部分星体受到吸引的总质量，也就是星云中处于以星云中心为中心，半径为 r 的球体内星云物质的总质量。显然 M 是 r 的函数，随 r 的增加而增加。如果星云质量比较集中在中心区，则靠星云外部区域内 M 随 r 的增加的变化不敏感，这样靠外部处星体运动的速度应随 r 增加而减少。

实际观测许多螺旋状星云给出：

观测到的螺旋状星云质量分布确是中心密，外面稀；
许多螺旋状星云中星体的速度平方 v2 随 r 变化不大。

这情况表明在螺旋状星云中实际还有许多没有被观测到的物质也在起引力的作用，这些没有被观测到的物质数量很多，并且其分布范围比看到的螺旋状星云分布的范围还要大。

这些没有被直接观测到的但通过引力效应显示其存在的物质就是暗物质。暗物质就是指太空中存在的没有或不能提供任何直接的电磁作用信号但可有引力效应的物质。天文观测中已经观察到许多显示暗物质存在的现象。暗物质是什么？有可能有些星体演化到一定阶段，温度很低，已不能输

出任何可以观测的电磁信号。这样，尽管这样的星体的构成成分和其他星体类似，主要是质子、中子等重子物质，但不可能被观测到。这样的星体就会表现为暗物质。在星际弥漫的星际物质也可能有类似的情况。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质，它的构成成分是一些中性的有静止质量的稳定粒子，它们不直接参与电磁相互作用，但可以允许其参与弱相互作用。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

这类暗物质中，如果粒子的运动是高速的，是相对论性的时就称为热暗物质；如果粒子的运动是低速的，是非相对论性的时就称为冷暗物质。

天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是大量的非重子物质的暗物质。人们当然关心，宇宙中的暗物质有多少？综合天文学上各方面的观测，给出估计：宇宙的总质量中重子物质约占 2％，非重子物质的暗物质所占比例至少要大一个数量级。在宇宙中的非重子物质的暗物质中，冷暗物质约占 70％，热暗物质约占 30％。

宇宙中存在的大量的非重子物质的暗物质的组成粒子是什么粒子？

在标准模型中给出的 62 种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有 3 种中微子和它们的反粒子，3 种反中微子，并且前提条件是中微子的静止质量不等于零。如果中微子有静止质量，它就有可能是热暗物质粒子。多年来，粒子

物理学家做了大量的研究测量中微子的质量，到现在还没有肯定的结果。冷暗物质粒子应该是一种质量很重的中性稳定粒子，它不直接参与电磁

相互作用，但可以参与弱相互作用和引力相互作用。这种粒子肯定是超出标准模型的粒子。

人们期望能从宇宙中找到这种超出标准模型的新粒子。

1972 年我国云南宇宙射线站观察到了一个奇特的宇宙射线事例，观察到一个从宇宙射线中来的能量大于 300GeV 的粒子碰撞石蜡中的粒子后，产生了3 个带电粒子。分析表明，其中一个是π-介子，一个是质子，还有一个是质量大于 43GeV，寿命长于 0.406 纳秒的带电粒子。这个粒子的存在如果被证实，它将肯定是一个超出标准模型的新粒子。

分析还表明，产生这个事例的从宇宙射线中来的入射粒子应该是一个质量大于 42GeV 的稳定中性粒子。这些性质，倒是符合冷暗物质粒子的要求。如果进一步的实验确认了这种粒子的存在，将是探寻新粒子方面的重大进展。

物理学家们期望能从宇宙射线中得到来自宇宙远方的新粒子的信息。科学探索是永远没有尽头的，人类对真理的追求也是永无止境的。随着

科学技术的不断进步，粒子物理学必然会踏上更高的台阶，不断加深人们对自然界物质的本质的认识。