中国暗物质与暗能量研究五至十年展望

作者: 季向东张新民谌勋

来源: 中国科学院高能物理研究所

发布日期: 2016-05-15 09:41:48

本文讨论了中国在未来5至10年对暗物质和暗能量的研究规划和布局,包括直接和间接探测实验的建议,以及国际合作和国内研究现状的分析。文章强调了这些研究对理解宇宙微观结构和演化的重要性,并提出了未来五年建议建设的重点项目。

暗物质和暗能量的研究是当前基础物理研究最前沿的方向之一,突破性的重要进展将极大促进我们对物质世界的微观结构以及宇宙演化的理解。

在2015年7月的香山科学会议上,一批从事这方面科研以及一批感兴趣的科学家讨论了未来5至10年我国在暗物质暗能量研究方面可能的规划和布局,建议依托锦屏地下实验室进行更大规模的暗物质直接探测实验,并开展卫星暗物质间接探测实验,力争在暗物质研究方面达到世界领先水平。同时建议在西藏阿里地区进行宇宙微波背景辐射观测,并通过空间站和地面望远镜进行深空巡天观测,从而实现对暗能量的深入研究。

对暗物质和暗能量的研究是当代基础物理学最前沿的方向之一。天体物理和宇宙学的研究表明,暗物质和暗能量在宇宙的演化过程中起着重要作用,然而粒子物理标准模型中没有给暗物质和暗能量的本质提供解释。这预示着对于暗物质和暗能量进行实验和理论上的探索将大大深化我们对微观世界结构和宇宙演化的理解,并极有可能产生物理学基础理论革命性的突破。

在对其进一步研究中,以下的问题急需得到回答:1、暗物质是不是一种基本粒子?

在实验室中或通过卫星/空间站探测器是否能观测到?2、暗物质粒子能不能在高能加速器上产生?它们和标准模型粒子是如何相互作用的?如何证明它们就是天文观测到的暗物质?3、暗物质是如何决定星系团和星系的结构形成过程的?4、我们已知的唯一的暗物质——中微子——的本性是什么?是中性的Majorana费米子吗?5、暗能量的物理性质是什么?状态方程是什么?6、宇宙早期大爆炸产生的原始引力波信号能不能观测到?

为了解答这些问题,国家需要规划和设计相应的研究路线,针对各方面条件进行优化,以充分利用已有的技术和资源,和世界上其他的研究团队进行竞争和合作,并最终在相关问题的研究中获得突破进展。

一、国际研究和规划现状

国际物理学界对暗物质和暗能量的研究相当重视,美国、欧洲和日本等国家和地区都进行了相应的规划和布局。2007年,美国自然科学基金会(NSF)、美国国家航空航天局(NASA)、美国能源部(DOE)联合成立的暗物质研究评估小组,发布报告指出,宇宙里面暗物质之谜的解决具有极特别的科学意义,并建议美国加大投入,以保持领先地位。

二、国内规划和研究现状

国家对暗物质和暗能量的研究非常重视。国务院在2006年制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》里面定义了8个基础研究前沿领域,“暗物质和暗能量的本质”是“物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律”领域内的主要研究方向之一。

三、未来五至十年展望

在过去的几年里面,我国科学家在暗物质和暗能量的研究中实现了跨越式的发展,取得了重要的成绩,形成了若干在国际上有竞争力的研究队伍。这些基础让我们跟上了国际前沿研究的步伐,并在某些方面能够和国际上最高水平一较高下。

四、今后五年建议建设重点

以上建议项目的建设和运行需要综合考虑科学目标、国际竞争力和技术可行性。而在今后5年期间,建设的重点应该放在可能做出有价值的科学发现的项目上。

五、总结

在过去的几年里,中国本土的暗物质直接和间接探测方面的研究开始赶上世界的步伐,暗能量的追赶才刚刚开始。在“十三五”期间,规划项目的顺利实施将使我国暗物质、暗能量、原初引力波探测技术水平赶上和达到国际最好水平,有望取得突破性重大成果。

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