捕捉暗物質(zhì)粒子

董鐵礦

暗物質(zhì)可能是這個(gè)宇宙中最撲朔迷離的事物，科學(xué)家隱隱約約覺得它應(yīng)該存在，卻從沒看到過(guò)它的蹤跡。盡管看不見摸不著，但為了捕捉到暗物質(zhì)的身影，科學(xué)家正在窮盡一切可能。

現(xiàn)代物理學(xué)把物質(zhì)之間的相互作用，按作用強(qiáng)度從強(qiáng)到弱分為四種：強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。暗物質(zhì)的屬性表明它們不參與強(qiáng)相互作用和電磁相互作用，只參與引力相互作用。那么它們是否參與弱相互作用呢？這個(gè)問題目前尚無(wú)答案。理論上，物理學(xué)家推測(cè)暗物質(zhì)粒子最可能是一種被稱為WIMP的粒子，它指的是弱相互作用大質(zhì)量粒子。這樣的粒子通常很自然地出現(xiàn)在對(duì)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的延拓中，而且WIMP粒子還具有一個(gè)讓很多物理學(xué)家青睞的屬性，它可以自然地解釋暗物質(zhì)在宇宙中的豐度。而最讓大家覺得鼓舞的一點(diǎn)是，WIMP粒子的弱相互作用屬性提供給人們一個(gè)探測(cè)它們的機(jī)會(huì)。不過(guò)因?yàn)槲覀儗?duì)WIMP粒子的質(zhì)量和相互作用屬性一無(wú)所知，讓探測(cè)WIMP粒子成了一件很具挑戰(zhàn)性的事情。這相當(dāng)于我們要下海捕魚，但魚兒在哪里我們卻不知道。

為探測(cè)WIMP粒子，科學(xué)家琢磨出了三種方案：一是通過(guò)它與普通物質(zhì)可能的直接碰撞加以探測(cè)（直接探測(cè)）；二是通過(guò)高能粒子對(duì)撞機(jī)制造出暗物質(zhì)粒子（對(duì)撞機(jī)探測(cè)）；三是尋找暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅產(chǎn)生的宇宙線信號(hào)（間接探測(cè)）。

直接探測(cè)法測(cè)量的是地球附近的暗物質(zhì)粒子和探測(cè)器之間的直接碰撞。暗物質(zhì)的屬性決定了暗物質(zhì)粒子的探測(cè)一定是極其困難的，為了捕捉到暗物質(zhì)粒子，我們需要盡量排除干擾，而最大的干擾來(lái)自于宇宙線。宇宙線是高能量的普通粒子，它們會(huì)與地球大氣和地面物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)相互作用和電磁相互作用，產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子。不過(guò)如果我們將探測(cè)器放在地球深處的話，宇宙線會(huì)被厚厚的巖層吸收掉，其數(shù)量會(huì)急劇減少。因此，直接探測(cè)裝置通常都被置于地下深處。但WIMP粒子與常規(guī)物質(zhì)之間發(fā)生相互作用的概率非常低，絕大多數(shù)WIMP粒子都會(huì)輕易穿過(guò)地球而不留下任何痕跡。所以我們只能嚴(yán)陣以待，然后祈禱吧，期望某個(gè)WIMP粒子會(huì)與探測(cè)器中的某個(gè)原子核發(fā)生碰撞，使原子核獲得少量的能量，產(chǎn)生微小的反沖的情況。原子核獲得的反沖能量會(huì)積存在探測(cè)器中形成可以探測(cè)的信號(hào)。目前，國(guó)際上已有十余家暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，而我國(guó)在四川錦屏山隧道中建設(shè)了世界上最深的深地實(shí)驗(yàn)室，其中已有兩個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。

尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理粒子，是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等大型粒子加速器的主要科學(xué)目標(biāo)之一，這其中也包括WIMP粒子。這些大型加速器把兩束粒子（質(zhì)子或反質(zhì)子）加速到非常高的能量，最終在磁場(chǎng)的作用下讓它們改變軌道，在四周布滿探測(cè)器的地方發(fā)生對(duì)頭碰撞。粒子物理實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，碰撞能夠產(chǎn)生各種各樣的粒子，能量越高，產(chǎn)生的粒子質(zhì)量也就越大。在已有的粒子表中沒有暗物質(zhì)粒子，因此它們有可能具有更大的質(zhì)量。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是目前能提供最高能量的加速器，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)之前的任何一臺(tái)加速器。在如此高的能量下，我們有可能制造出以前從未見過(guò)的質(zhì)量更大的新粒子。通過(guò)仔細(xì)檢查每次碰撞的產(chǎn)物，我們或許能找到新粒子存在的證據(jù)，而它或許就是我們苦苦追尋的暗物質(zhì)粒子。但目前還未能發(fā)現(xiàn)有WIMP粒子的跡象。

除了上述兩種方法以外，還有一種間接探測(cè)暗物質(zhì)的方法，它們不是直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子本身，而是尋找暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅時(shí)產(chǎn)生的特征信號(hào)。在廣袤的宇宙空間分布著大量的暗物質(zhì)粒子，如果暗物質(zhì)粒子密度足夠高，一個(gè)WIMP粒子和它的反粒子就有機(jī)會(huì)相遇，一旦它們發(fā)生碰撞，就會(huì)同時(shí)消失并發(fā)出一系列包括伽馬射線、電子、正電子、反質(zhì)子等高能粒子。如果暗物質(zhì)粒子的壽命不是無(wú)限大，它們也會(huì)衰變?yōu)橘|(zhì)量較小的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅產(chǎn)生的粒子能量分布，與普通物質(zhì)經(jīng)過(guò)天體物理過(guò)程產(chǎn)生的能量分布具有不同的特征，尋找這樣的特征是間接探測(cè)暗物質(zhì)的主要目的。高能伽馬射線作為一種非常可能的暗物質(zhì)粒子，其湮滅或衰變的產(chǎn)物是暗物質(zhì)間接探測(cè)的重要觀測(cè)對(duì)象。伽馬射線不僅比較容易觀測(cè)，而且還記錄了來(lái)源的方向。因此，研究者探測(cè)各個(gè)能量段、各種特定方向上（如銀河系中心或矮星系中心等預(yù)期暗物質(zhì)密度高的地方）的伽馬射線就成了尋找暗物質(zhì)的一個(gè)常見方法。電子、正電子和反質(zhì)子也是暗物質(zhì)間接探測(cè)的重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。例如在PAMELA和AMS-02等實(shí)驗(yàn)中，研究者發(fā)現(xiàn)在高能量段，正電子與負(fù)電子比值出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，與通常的天體物理模型預(yù)期（圖2中的灰色帶子）不符。WIMP暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅將可以解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)，但還不能完全排除天體物理過(guò)程的貢獻(xiàn)。而我國(guó)的“悟空”號(hào)衛(wèi)星也在正負(fù)電子總譜的測(cè)量方面做出了領(lǐng)先世界的成果，但在它的整個(gè)壽命期里所獲得的數(shù)據(jù)中，是否會(huì)包含有暗物質(zhì)的信號(hào)還未可知。

前文所介紹的方法都是針對(duì)WIMP暗物質(zhì)粒子假說(shuō)而開展的搜尋工作。然而，我們并不能保證暗物質(zhì)就一定是WIMP粒子，還存在其他可能性，例如前文提到的軸子。因此也很有必要針對(duì)另外的候選粒子開展實(shí)驗(yàn)搜尋。軸子的探測(cè)方法主要是通過(guò)測(cè)量它們和光子之間的轉(zhuǎn)換，比如在密閉實(shí)驗(yàn)室中加上強(qiáng)磁場(chǎng)探測(cè)軸子轉(zhuǎn)化后形成的光子，或者觀測(cè)高能伽馬射線經(jīng)過(guò)和軸子的轉(zhuǎn)換后形成的具有振蕩結(jié)構(gòu)的能譜。還有一類暗物質(zhì)粒子被稱作“惰性中微子”，這是一種溫暗物質(zhì)候選粒子。理論上預(yù)期這種粒子會(huì)衰變產(chǎn)生一個(gè)普通中微子和一個(gè)光子，光子的能譜是單能線譜，具有很好的辨識(shí)度。預(yù)期光子能量處于X射線波段，那么通過(guò)探測(cè)這種單能X射線線譜將會(huì)是搜尋惰性中微子的有效辦法。

總之，暗物質(zhì)粒子探測(cè)是一項(xiàng)既迷人又富有挑戰(zhàn)性的工作。許多國(guó)家都為此投入了大量的人力和物力。與此同時(shí)，關(guān)于它的理論研究也出現(xiàn)了百家爭(zhēng)鳴的景象。此外，探測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理方法也在快速發(fā)展。我們有理由相信，21世紀(jì)人們?cè)诎滴镔|(zhì)粒子探測(cè)方面將取得重大突破。