美國國家科學技術委員會（NSTC）“宇宙物理學”的跨部委工作小組，2004年5月初發(fā)表了“宇宙物理學”報告。該報告是對美國“國家研究理事會”2002年的報告—“建立夸克同宇宙的聯系：新世紀的11個科學問題”做出的響應。

該工作小組成員包括能源部、宇航局、國家科學基金會、科技政策辦公室和預算管理局的代表。NSTC是1993年11月23日根據當時的美國總統克林頓發(fā)布的行政命令建立的，是總統協調不同部門之間在科學、太空和技術發(fā)展的主要機構。委員會主席由總統擔任，其成員由副總統、總統科技顧問、負責科技的內閣級部長和各直屬局局長，以及其他白宮官員組成。NSTC的主要目的，是在諸如信息技術、衛(wèi)生保健、運輸系統和基礎研究等領域，對聯邦政府的科技投資設定清晰的國家目標。

“宇宙物理學”工作小組的這篇報告檢查了聯邦政府現有的投資狀態(tài)，并為國家研究理事會2002年報告中提出的11個科學問題推薦了應采取的優(yōu)先步驟（該報告由19名權威物理學家和天文學家聯合執(zhí)筆）?，F將這11個科學問題介紹如下：

1、什么是暗物質?

天文學家已經證明：宇宙中的天體從比我們銀河系小100萬倍的星系到最大星系團，都是由一種物質形式所維系在一起的，這種物質既不是構成我們銀河系的那種物質，也不發(fā)光。這種物質可能包括一個或更多尚未發(fā)現的基本粒子組成，該物質的聚集產生導致宇宙中星系和大尺寸結構形成的萬有引力。同時，這些粒子可能穿過地面實驗室。

美國能源部LANL實驗室的液體閃爍體中微子探測器、加拿大Sudbury中微子觀測站和日本超級神岡加速器實驗的最新結果給出有力的證據：中微子以各種形式“振蕩”，因此必定會具有質量。雖然質量很小，但宇宙中大量的中微子加起來可使總的質量達到相當高。美國費米國家實驗室新的加速器實驗MiniBooNE和MINOS將研究中微子震蕩和中微子質量。（右圖為地下山洞中的Sudbury中微子觀測站）　

尚未發(fā)現的其它粒子有可能存在，例如一種稱為超對稱的新對稱理論預言有一種大的新類型的粒子，其中有些可解釋暗物質?，F正在費米實驗室TeV能級加速器進行的和計劃在CERN正建造的大型強子對撞機（LHC）上開展的實驗，以及地下低溫暗物質尋找和空間利用伽馬射線大面積天體望遠鏡所進行的實驗，目的都是要尋找超對稱粒子。

阿爾法磁譜儀（AMS）安裝在國際空間站上，尋找反物質星系和帶有我們星系多數質量的神秘暗物質的任何證據。該項目由MIT丁肇中領導，國際上（包括中國）廣泛參加。（左圖為安裝在宇宙站上的阿爾法磁譜儀）

2、暗能量的性質是什么?

最近的實驗表明，宇宙膨脹正在加速而不是放慢。這一結論有悖引力具有吸引力的基本概念。如果這些測量成立，就需要有一種被稱為“暗能量”的物質形式存在，它的引力具有排斥性而不是吸引性。

對膨脹率的詳細測量有助于對提出的各種解釋暗能量的理論模型加以區(qū)別。美國勞倫斯伯克力國家實驗室（LBNL）超新星宇宙學項目的研究人員，利用從觀測1a型超新星得到的數據直接觀測宇宙的加速膨脹。（右圖為1a型超新星）

要研究這種類型的超新星，必須觀測大量的星系，因為每400年每個星系才只有唯一的一種類型的超新星。這個合作組使用智利天體望遠鏡、Keck天體望遠鏡和哈勃望遠鏡觀測和收集1a型超新星的數據。

到目前為止，利用哈勃望遠鏡僅對25個超新星進行了深入研究。2003年1月，被稱為“超新星工廠”開始利用近地星形描跡天體望遠鏡（GLAST）觀測Haleakala和Palomar I和II，每隔4夜獲得1a型超新星一個接近峰值亮度。這些觀測每夜產生50千兆字節(jié)的數據，由美國國家能源研究計算中心（NERSC）的超級計算機和法國超新星觀測組合作進行處理。

NERSC超級計算機可產生模擬，支持其他數據收集方法。通過超新星爆發(fā)中的中等大小的星，這些方法可直接對從原始星到超新星爆發(fā)后核心的核合成進行測量。

NERSC超級計算機產生的模擬也可用于LBNL超新星宇宙學項目組領導的超新星加速探測衛(wèi)星和高-Z超新星尋找組進宇宙加速膨脹的研究。（左圖為藝術家概念中的超新星加速探測）

3、宇宙是如何開始的?

有證據表明，在最初的時刻，宇宙經歷了又一次的巨大爆炸，稱為膨脹，這樣宇宙中的最大星體就起源于亞原子量子態(tài)的絨毛微細結構。這一膨脹的根本物理原因是個謎。

Sloan數字尋天項目是利用美國新墨西哥州的Apache Point觀測站2.5米的天體望遠鏡來觀測可見宇宙的實驗。該項目完成對整個天空四分之一的系統測繪任務后，產生詳細的圖像，確定一億個以上的天體的位置和絕對亮度，將在某種程度上闡明膨脹之謎。該實驗還將測量距100萬多個最近星系的距離，通過一個比我們到目前探索大100倍的體積，給出宇宙一個三維圖像。最后，使我們前所未有地了解到可見宇宙邊緣的物質分布情況。這會提供質量密度中原始波動情況，膨脹的結果應該是這樣。（右圖為Sloan數字尋天望遠鏡）　

4、什么是引力?

黑洞在宇宙中普遍存在，可以探討它們的巨大引力。早期宇宙中的強引力效應具有客觀測到的重要性。愛因斯坦理論也應適用于這些情況，正像它適用于太陽系一樣。完整的引力理論應該包括量子效應—愛因斯坦引力理論不包括—或不解釋為什么它們不相關。

高能和核物理理論學家研究弦理論和額外維空間的可能性，有助于解釋引力的量子方面。像在費米實驗室（左圖）TeV能級加速器和CERN的LHC上開展的實驗將能夠在未來幾年內對一些這樣的思想進行檢驗。弦理論已經導致對黑洞的熵進行計算。　

5、中微子有質量嗎，它們如何影響宇宙的演化？

宇宙學告訴我們，當今宇宙中一定存在著大量的中微子。物理學家們最近發(fā)現越來越多的證據，表明它們具有小質量。甚至可能有超越現行標準模型3個以外更多類型的中微子。

加拿大Sudbury中微子觀測站（SNO）（右圖）發(fā)布的第一批結果和日本超級神岡的實驗結果，對丟失的太陽中微子進行了解釋，使中微子具有質量的證據越來越多。這兩項實驗均系國際合作，得到美國能源部的大力支持。

稱為MINOS的長基線實驗，利用費米實驗室中微子主注入器工程建造的設備，尋找具有極小質量的中微子存在的證據。費米實驗室新的主注入器作為MINOS實驗的中微子源，實驗的長基線從這里開始，探測器放在735公里之外的明尼蘇達州北部原Soudan鐵礦里。(Soudan礦中現有1000噸探測器)

參加MINOS實驗的科學家們對從費米實驗室出來的中微子和到達Soudan鐵礦中的探測器的中微子的特性進行測量和比較。這兩個探測器中中微子相互作用的特點之別提供不同類型的中微子振蕩的證據，因此得出中微子質量。

1995年美國LANL的液體閃爍器中微子探測器（LSND）發(fā)現了謬子中微子變成電子中微子的證據。費米國家實驗室有一臺探測器稱為MiniBooNE（左圖），用來研究這一現象。因為更強的中微子束流，它比LSND獲得更多的數據。MiniBooNE的中微子束流由比LSND束流短約10000倍強脈沖組成。這大大提高了實驗將來自自然產生宇宙線相互作用的束流感應中微子事例分開的能力。

現行的理論假設中微子根本就沒有質量。中微子具有質量要求對理論進行修改，它起碼有助于解釋構成90%以上宇宙的暗物質。

中微子質量，以及其他所有輕子和夸克的來源，被認為是由因黑格斯玻色子傳遞的“黑格斯場”引起的獨特相互作用。這個玻色子是費米實驗室TeV能級加速器大力尋找的目標。如果找不到，可能會在CERN的LHC上找到。（右圖為黑格斯玻色子事例的計算機模擬）

6、質子不穩(wěn)定嗎？

構成我們星體的物質是從不對稱數量的早期宇宙中出現的物質與反物質湮滅的小的殘余物。這一小的不平衡可能依靠假設的質子不穩(wěn)定性，即物質的最簡單形式和稍傾向于物質的構成多于反物質形成的物理法則。

因為這意味著所有核物質的不穩(wěn)定性，所以發(fā)現質子衰變將是一個具有歷史意義的事件。為尋找質子衰變，已經投入巨大努力。尋找質子衰變過去是日本神岡和超級神岡探測器，以及美國Irvien-Michigan-Beookhave實驗和Soudan探測器原來的主要目標。雖然沒有觀測到質子衰變，但那里的科學家們在中微子物理方面做出了如第五個問題中提到的給人印象深刻的發(fā)現。

斯坦福直線加速器中心（SLAC）的B工廠和BaBar探測器（左圖）通過研究B介子，有機會對宇宙中物質大大多于反物質做出解釋。正負電子在幾十億電子伏特時對撞，可以按B介子衰變成其他粒子的方式研究非對稱。非對稱被稱為CP破壞，1964年首次發(fā)現。CP破壞仍然沒有完全被弄明白，據信，它起碼對大爆炸形成宇宙后物質的存在多于反物質負部分責任。研究這一重要的非對稱也會擴大我們對基本粒子的了解。B工廠的物理學家們已經發(fā)現物質與反物質在衰變成被稱為重短壽命粒子的鮮明差別。

7、超高能粒子來自哪里？

物理學家們已經探測到宇宙中驚人種類的高能現象，包括沒有預料到的高能但不知起因的粒子束流。在實驗室的加速器上，我們可以產生高能粒子束流，但這些宇宙線的能量大大超過地球上產生任何能量。

1000平方英里的Pierre Auger觀測站是個國際項目，用來研究甚高能宇宙線，對撞星系（右圖）是形成極高能量宇宙線的機制。位于阿根廷的Pierre Auger觀測站有一臺宇宙線探測器，展開面積超過巴黎的10多倍。在美國為其提供的建造費用金額中，美國能源部和國家科學基金會均攤。

8、在極高密度和極高溫度下，新形態(tài)的物質是什么樣的？

質子和中子是如何形成化學元素原子核的理論已有充分的闡述。在極高密度和高溫時，質子和中子可“熔化”成一種不可區(qū)分的夸克和膠子“湯”，這可以在重離子加速器中探測到。中子星和早期宇宙中可以產生更高的密度并可探測到。

相對論重離子對撞機（RHIC）正在BNL運行，研究極熱、高密度核物質。它使金原子核束流在足以形成基本粒子（夸克和膠子）熱、密度湯短暫微觀宇宙的能量時對撞，這些粒子在宇宙大爆炸形成后的前幾微秒存在過。（左圖為金原子核在RHIC對撞產生的成千上萬粒子的STAR探測器成像）

世界上的物理學家對RHIC上每秒發(fā)生幾千次的對撞饒有興趣。每次的對撞都像一臺微觀高壓鍋，產生甚至比最熱星體核心中還要極端的溫度和壓力。事實上，RHIC對撞中的溫度可超過絕對零度以上10¹¹度，大約相當太陽溫度的10000倍。雖然RHIC對撞可能超快和超熱使科學家們感興趣，但是它們太小太短，沒有危險。

使用大型PHENIX探測器的一個RHIC實驗中，兩個金原子核對撞向對撞軸橫向發(fā)射出比標準模型要少的粒子。這是物質奇異態(tài)的第一個跡象，但需要更多的證據。將這一發(fā)現與未來幾年更多發(fā)現結合在一起，研究人員就能弄懂宇宙誕生以來就不存在的物質態(tài)。（右圖為RHIC兩個金原子核對撞的PHENIX探測器成像）

9、是否存在額外的時空維度？

在試圖引申愛因斯坦理論和了解引力的量子性質時，粒子物理學家們假設存在著超出已知四維時空的高維時空。它們的存在對宇宙的誕生和演化具有隱含，可能會影響基本粒子的相互作用，并改變近距離時的引力。

像在第四個問題討論的那樣，高能與核物理在弦理論方面的研究表明有額外維。TeV能級加速器和其他對撞機的實驗，通過尋找兩個加速的粒子（如TeV能級加速器的質子與反質子）在對撞中產生粒子時丟失的能量，來尋找額外維。

10、從鐵到鈾的各種重元素是如何形成的？

科學家們對星體和超新星中一直到鐵的元素的產生相當了解，但從鐵到鈾較重元素的準確起因仍然是個謎。美國能源部支持對在超新星中發(fā)生的核反應，以及對這些天體劇烈爆炸的計算機模擬研究。需要更多了解有關參與復雜連鎖反應極短壽命原子核的信息。已經提出建造一種新的被稱為稀有同位素加速器（RIA）的新裝置，用以研究自然界可能存在的所有原子核。從RIA獲得的數據和利用最大功率計算機對超新星的模擬，將使科學家們更加全面了解重元素的起源。（左圖為RIA概念設計）

11、需要一種新的光和物質理論來解釋在甚高能和溫度時發(fā)生的情況嗎？

用量子力學、電磁和它們作為電動力學統一的法則似乎對實驗室中的物質和輻射進行了很好的描述。宇宙為我們提供地點和天體，如中子星和伽馬射線爆炸源，這里的能量遠遠超過為驗證這些基本理論在地球上可再現的能量。

伽馬射線大面積空間望遠鏡（GLAST）通過觀測來自許多不同天體源的高能伽馬射線將開啟這個高能領域。GLAST有一個伽馬射線成像天體望遠鏡，能力大大超過以前飛行的儀器，還有一臺輔助的提高研究伽馬射線爆的儀器。（右圖為軌道中的GLAST）

在GLAST能區(qū)范圍內，宇宙對伽馬射線來說基本上是透明的。靠近可見宇宙邊緣的高能源可用伽馬射線光進行探測。如果這些天體在宇宙較早期間存在的話，我們就有充分的理由期待GLAST將看到紅移值等于或大于5的已知類型的天體。對于伽馬射線來說，小的相互作用截面意味著伽馬射線可直接觀測自然界最高能量的加速過程。伽馬射線向后指向它們的源，不像宇宙線被磁場偏斜。

有了GLAST，天文學家們就擁有了非常好的工具，用于研究以將物質拉入而出名的黑洞是如何能夠以大的難以令人相信的速度向外加速氣體噴注的。物理學家們將能夠研究比陸基粒子加速器中看到的更高能量時的亞原子物理。為同時進行天體物理和粒子物理研究，美國宇航局與美國能源部以及法國、德國、日本、意大利和瑞典的研究機構開展合作。GLAST計劃于2006年3月發(fā)射。

（高能所科研處制作 材料摘自新華網、侯儒成翻譯的Energy Science News資料）