暗物質(zhì)粒子的探測和研究可能取得突破

整理撰稿人：中科院國家科學(xué)圖書館總館空間科技團隊王海霞（E-mail:wanghx@mail.las.ac.cn：）、王海名

審稿專家：中科院高能物理所張新民研究員

暗物質(zhì)粒子的探測和研究可能取得突破

整理撰稿人：中科院國家科學(xué)圖書館總館空間科技團隊王海霞（E-mail:wanghx@mail.las.ac.cn：）、王海名

審稿專家：中科院高能物理所張新民研究員

1 作為研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成過程的要素，暗物質(zhì)的存在已被廣泛接受

“暗物質(zhì)”是指宇宙中具有引力效應(yīng)，但是不會直接和光發(fā)生作用的物質(zhì)，被認為是由一種超出粒子物理標準模型的全新粒子構(gòu)成。人們對其粒子物理的性質(zhì)還知之甚少。20世紀初物理學(xué)的“兩朵烏云”——以太說和黑體輻射——推翻了經(jīng)典物理理論，催生了量子力學(xué)和相對論。與之類似，對與暗能量并稱為21世紀物理學(xué)的“兩朵烏云”的暗物質(zhì)的探測和研究，很可能產(chǎn)生新的物理學(xué)革命。

現(xiàn)代意義上的暗物質(zhì)概念最早是由瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇提出的。1933年，扎維奇研究后發(fā)現(xiàn)星系團中星系運動的速度彌散，根據(jù)所測得的星系速度彌散并應(yīng)用維里定理得到的星系團質(zhì)量比從星系團中發(fā)光星體推斷出的質(zhì)量大400倍左右，因此推測星系團中可能存在不發(fā)光的物質(zhì)。20世紀70年代，美國天文學(xué)家薇拉·魯賓通過對旋渦星系的詳細觀測，使得“暗物質(zhì)”這個概念得到了科學(xué)界的認可。2006年“錢德拉X射線望遠鏡”（Chandra）觀測到兩個星系團的合并，發(fā)現(xiàn)星系團中發(fā)光的熱氣體和兩個星系的質(zhì)量中心并不重合，這一現(xiàn)象被認為是暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)[1]。近年來，由于“威爾金森微波各向異性探測器”（WMAP）和“普朗克”（Planck）衛(wèi)星對宇宙微波背景輻射各向異性的精確測量，我們可以通過擬合衛(wèi)星數(shù)據(jù)精確確定宇宙中暗物質(zhì)的總量。最新擬合結(jié)果是暗物質(zhì)在宇宙中所占的組分約為26.8%，約占宇宙中物質(zhì)總量的85%[2]。從暗物質(zhì)的概念提出至今，人們在各種尺度的天文觀測中都發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

2 暗物質(zhì)粒子探測手段多樣，但至今尚無明確的存在定論

由于暗物質(zhì)粒子不發(fā)光且不直接與光發(fā)生作用，普通的光學(xué)觀測無法發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。目前大致有3種探測暗物質(zhì)粒子的方法：

（1）在加速器上“創(chuàng)造”暗物質(zhì)粒子并研究其物理特性。雖然被“創(chuàng)造”出來的暗物質(zhì)粒子不能被直接觀察到，但通過其他可以觀測到的粒子能夠推測出是否有暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生，同時在“創(chuàng)造”暗物質(zhì)粒子的過程中會帶走能量，因此從丟失的能量及其分布可以推測暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。迄今為止，所有的加速器實驗尚未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的跡象。正在進行升級改造的歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）將在2015年重新啟動，屆時其質(zhì)子束流的總能量可達14萬億電子伏特，有望“創(chuàng)造”出少量暗物質(zhì)[3]。

（2）直接探測法。該方法是直接探測暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號，由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號也很“微弱”。為了降低本底，通常需要把探測器放置在很深的地下。暗物質(zhì)直接探測實驗是目前尋找暗物質(zhì)粒子最重要的探測方式。目前的實驗精度下，只可能探測到弱相互作用重粒子（WIMP）的信號，而更弱的信號，如軸子、超對稱引力子是無法用這種方法探測的。目前國際上約有幾十個科學(xué)小組在設(shè)計實驗以期發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)信號，如氙100（XENON100）、低溫暗物質(zhì)搜尋（CDMS）計劃等。繼2009年宣布所發(fā)現(xiàn)的2個事件可能與暗物質(zhì)粒子有關(guān)之后，2013年4月13日，美國的地下暗物質(zhì)實驗——超級低溫暗物質(zhì)搜尋（Super-CDMS）計劃項目組又報告了3個疑似暗物質(zhì)事件，計算結(jié)果表明，其是WIMP的可能性為99.81%，但由于只有3西格瑪水平，并不會作為暗物質(zhì)證據(jù)進行發(fā)布[4,5]。

（3）間接探測法。是指通過測量暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后產(chǎn)生的穩(wěn)定高能粒子如伽瑪射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等的能譜，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。由于地球大氣的影響，在地面上高精度測量粒子能譜的難度較大，實驗最好在空間進行。但受到觀測精度限制，“費米伽馬射線空間望遠鏡”（Fermi）、“反物質(zhì)探測和輕核天體物理學(xué)載荷”（PAMELA）和“先進薄電離量能器”（ATIC）實驗均未探測到確定的暗物質(zhì)粒子?？臻g探測的關(guān)鍵是選擇合適的探測粒子對象，且最好使用可以探測所有種類粒子的探測器，即大型磁譜儀。2013年4月，空間中首個測量精度達到1%的實驗“阿爾法磁譜儀”（AMS-02）項目宣布在宇宙射線事件中探測到40萬個能量在5億—3 500億電子伏之間的正電子，該實驗結(jié)果符合宇宙中暗物質(zhì)粒子碰撞湮滅產(chǎn)生正電子的理論，但目前還不能排除這些暗物質(zhì)來自脈沖星的可能性[6,7]。

3 暗物質(zhì)粒子探測和研究有望推動新的物理學(xué)革命

目前，世界主要科技強國對暗物質(zhì)粒子的探測和研究都很重視。例如，美國國家科學(xué)基金會、美國國家航空航天局以及美國能源部在2006年聯(lián)合成立了“暗物質(zhì)與暗能量研究評估小組”，指出解決暗物質(zhì)之謎的重要性尤為突出，并強調(diào)美國必須立刻加大投入，保持在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。2008年，歐洲推出了天體粒子物理路線圖，“什么是暗物質(zhì)”位居未來10年重點解決的6個重要基本問題之首[8]。

利用地下、地面大型探測裝置及空間探測實驗，探測到暗物質(zhì)粒子并揭開暗物質(zhì)之謎，將是21世紀人類最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

在暗物質(zhì)的直接探測實驗方面，世界各國已廣泛開展的實驗有CDMS、XENON、宰普林（ZEPLIN）、愛德維斯（EDELWEISS）等，而且其靈敏度在不斷提高。在這方面，2008年我國規(guī)劃了路線圖，開始建設(shè)世界上埋深最深的地下實驗室——中國錦屏地下實驗室，對于開展高精度的暗物質(zhì)直接探測實驗具有重要的意義。目前，清華大學(xué)等基于高純鍺的中國暗物質(zhì)實驗（CDEX），上海交通大學(xué)等基于液氙的粒子和天體粒子氙觀測站（PANDAX）實驗是該實驗室首批開展的兩個暗物質(zhì)直接探測實驗[9]。

在暗物質(zhì)粒子間接探測方面，南極地下2 000米的冰立方（IceCube）望遠鏡，地面的高能立體望遠鏡系統(tǒng)（HESS）、甚高能輻射成像望遠鏡系統(tǒng)（VERITAS）、主要大氣伽馬射線成像切倫科夫望遠鏡（MAGIC）等實驗預(yù)期會在未來幾年產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)。隨著實驗的升級和靈敏度的提高特別是未來大型高海拔空氣簇射觀測站（LHAASO）項目的開展，我國西藏羊八井的宇宙線地面觀測站在間接探測暗物質(zhì)粒子方面將具有一定的潛力。在空間探測方面，F(xiàn)ERMI、AMS-02以及我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星和空間站暗物質(zhì)粒子探測項目都將對暗物質(zhì)的研究做出有意義的貢獻。

關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)的研究與天文研究緊密相關(guān)。例如，對于暗物質(zhì)的直接探測和間接探測，其信號的預(yù)言或解釋都依賴于暗物質(zhì)的密度及空間分布，因此，這些研究必須和天文研究緊密結(jié)合。在該方面，美國大口徑綜合巡天望遠鏡（LSST）和我國的南極昆侖站暗宇宙巡天望遠鏡（KDUST）預(yù)期將起到重要作用。

1常進.暗物質(zhì)粒子探測：意義、方法、進展及展望.工程研究——跨學(xué)科事業(yè)中的工程,2010,02（2）.

2 ESA.Simple but challenging:the Universe according to Planck. http://sci.esa.int/planck/51551-simple-but-challenging-the-universe-according-to-planck/.2013-03-21.

3華凌.歐洲大型強子對撞機升級改造有助于揭示宇宙中神秘的“暗物質(zhì)”.http://www.stdaily.com/stdaily/content/2013-04/04/ content_590120.htm.2013-04-04.

4 CDMS.Dark Matter Search Results from CDMS-II Silicon Detectors.http://cdms.berkeley.edu/press.html.2013-04-15.

5張夢然.美地下暗物質(zhì)實驗發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)初步線索.http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2013-04/20/content_200261.htm?div=-1.2013-04-20.

6 CERN.AMS experiment measures antimatter excess in space. http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/04/ams-experimentmeasures-anti-matter-excess-space.2013-04-03.

7 Aguilar M,Alberti G,Alpat B et al.First Result from theAlphaMagnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Prima ry Cos-mic Rays of 0.5-350 GeV.Phys.Rev.Lett.,2013, 110（14）：141102.

8 ASPERA.Status and Perspective ofAstroparticle Physics in Europe——Astroparticle Physics Roadmap Phase I. http://www.aspera-eu.org/images/stories/files/Roadmap. pdf.2008-09

9張新民,陳學(xué)雷.暗物質(zhì)、暗能量研究進展及中國的機遇.中國科學(xué)院院刊，2011,26(5):496-503.