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  宇宙远不止于人眼之所见。宇宙中大约有80%的物质是不能被望远镜观测到的,然而它们的引力作用却通过恒星环绕星系运动的轨道速度和星系团的运动彰显了出来。然而虽然进行了几十年的努力,还是没有人知道这种“暗物质”到底是什么。许多科学家认为,随着新的亚原子粒子的发现,这一谜题可能得到解决,这样的粒子必然与组成我们周围普通物质原子的粒子不同。探测并辨认这些粒子的实验正在世界各地以及地球之外进行着。

  分析NASA费米伽玛射线太空望远镜数据的科学家已经在集中精力研究10个环绕银河系运行的小型暗星系,以图寻找某些假想粒子的信号。虽然现在还没有任何信号被探测到,使用新方法分析费米大视场望远镜(Large Area Telescope)两年间观测到的数据之后,人们已经第一次切实排除了某些候选粒子。

  来自加州帕萨迪那(Pasadena)加州理工学院的物理学家、费米LAT的合作成员詹尼弗西耶戈尔-加斯金斯(Jennifer Siegal-Gaskins)说:“实际上,费米LAT的分析结果压缩了粒子躲藏的理论盒体积。”2日,她在佐治亚州亚特兰大召开的美国物理学会会议上进行了邀请报告,讨论了最新的暗物质太空搜索结果。

  WIMP也就是弱相互作用大质量粒子是最受欢迎的一类暗物质候选对象。一些WIMP可能在一对粒子彼此作用的时候相互湮灭,这一过程预期会产生伽玛射线,也就是能量最高的光线,LAT的设计目标正是来探测它。

  西耶戈尔-加斯金斯解释说:“搜寻这些暗弱伽玛射线信号的最佳地点之一是矮椭球星系,我们知道银河系的这些小型卫星星系中存在大量的暗物质。从天体物理学的角度来看,它们是完全沉闷的天体,其中只有很少的气体和恒星形成活动,不存在发出伽玛射线辐射的脉冲星或超新星遗迹。”

  此外,许多矮星系远离银道面,银道面会发出宽波段的伽玛射线弥漫辐射,延伸到整个天空。只选择远离银道面的矮星系可以帮助人们减少来自银河系的干扰。

  这个位于天炉座的矮椭球星系是银河系的卫星星系之一,也是费米用于进行暗物质搜索的10个星系之一。星系中恒星的运动表明,它被包裹在不可见的大质量暗物质晕

  小组分析了LAT在两年间对20余个已知环绕银河系运行的矮星系的伽玛射线观测数据,能段范围在2亿电子伏特到1000亿电子伏特(GeV)之间。科学家并没有单独分析每个星系的结果,而是开发出了一种统计手段,他们称其为“联合似然分析”,可以一次性评估所有星系,而不需要合并数据。他们没有发现与4种流行WIMP粒子模型预言相符的伽玛射线信号。

  这些结果第一次说明,质量和作用率在某一范围内的WIMP粒子不能充当暗物质。一篇详细描述结果的论文刊登在2011年12月9日出版的《物理学评论通报》杂志上。

  研究的合作者、斯德哥尔摩大学的研究生玛哈列纳加德(Maja Llena Garde)说:“我们同时分析了10个矮星系,这不仅增加了统计性,还让分析过程对伽玛射线背景的起伏不那么敏感,也不太受矮星系周围暗物质可能的分布方式的影响。”

  对于暗物质粒子的任何已知性质来说,粒子的分布对预期的伽玛射线形式有着很重要的影响。在先前的研究中,新的方法经常没有得到充分的处理,甚至根本没有得到处理。

  矮星系中恒星的运动可以追溯出将它们埋藏其中的暗物质晕形态,不过这些微小的星系往往只有极少数可追踪的恒星。其结果是不精确的,暗物质沿矮星系视线方向分布,这会对LAT预期探测到的伽玛射线信号产生影响。考虑了矮星系暗物质分布形态之后,LAT小组的结果是最精确的。

  研究小组成员、来自法国蒙彼利埃(Montpellier)第二大学宇宙和粒子实验室的物理学家约翰科恩—达努奇(Johann Cohen-Tanugi)说:“这项工作的重要一点是,我们利用更新的矮星系运动研究得出了统计学上的不确定量,并在LAT的数据处理中考虑了这一点。”

  研究的合作者、斯德哥尔摩大学的物理学教授简康拉德(Jan Conrad)说:“这一处理是往前的一大步,我们希望今后的研究能遵循我们的范例。”

  小组正在进行两年数据分析的后续工作,将处理费米在更长时间内的观测数据,并结合对LAT灵敏度的改进,还会考虑能量更高的伽玛射线。此外,涌现的巡天可能会发现更多的矮星系供未来的研究利用。

  APS会议上公布的费米暗物质研究中涉及的其他LAT合作小组成员还有亚历克斯德利卡—瓦格纳(Alex Drlica-Wagner)与埃利奥特布鲁姆(Elliott Bloom),他们都来自位于加州SLAC国家加速器实验室与斯坦福大学的科维里粒子天体物理学与宇宙学研究所(KIPAC)。

  4月3日星期二,来自加州大学圣克鲁兹(Santa Cruz)分校圣克鲁兹粒子物理研究所的物理学家威廉阿特伍德(William Atwood)将在APS获奖报告上讲述费米的进展。阿特伍德是费米LAT的发明人兼首席设计者。他还在联合美国、欧洲与日本物理学家组成费米合作组的过程中发挥了作用。为了表彰他在设计、建造并使用费米大视场望远镜过程中发挥的领军作用,APS将2012年度的WKH帕诺夫斯基(W. K. H. Panofsky)实验粒子物理学奖授予了他。