整理撰稿人：中科院國家科學(xué)圖書館總館空間科技團(tuán)隊(duì)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(cè)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(tuán)隊(duì)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(huì)直接和光發(fā)生作用的物質(zhì)，被認(rèn)為是由一種超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的全新粒子構(gòu)成。人們對(duì)其粒子物理的性質(zhì)還知之甚少。20世紀(jì)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(duì)論。與之類似，對(duì)與暗能量并稱為21世紀(jì)物理學(xué)的“兩朵烏云”的暗物質(zhì)的探測(cè)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(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)的速度彌散，根據(jù)所測(cè)得的星系速度彌散并應(yīng)用維里定理得到的星系團(tuán)質(zhì)量比從星系團(tuán)中發(fā)光星體推斷出的質(zhì)量大400倍左右，因此推測(cè)星系團(tuán)中可能存在不發(fā)光的物質(zhì)。20世紀(jì)70年代，美國天文學(xué)家薇拉·魯賓通過對(duì)旋渦星系的詳細(xì)觀測(cè)，使得“暗物質(zhì)”這個(gè)概念得到了科學(xué)界的認(rèn)可。2006年“錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡”（Chandra）觀測(cè)到兩個(gè)星系團(tuán)的合并，發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中發(fā)光的熱氣體和兩個(gè)星系的質(zhì)量中心并不重合，這一現(xiàn)象被認(rèn)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(cè)器”（WMAP）和“普朗克”（Planck）衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射各向異性的精確測(cè)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?cè)诟鞣N尺度的天文觀測(cè)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(cè)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(cè)無法發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。目前大致有3種探測(cè)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(cè)到的粒子能夠推測(cè)出是否有暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生，同時(shí)在“創(chuàng)造”暗物質(zhì)粒子的過程中會(huì)帶走能量，因此從丟失的能量及其分布可以推測(cè)暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。迄今為止，所有的加速器實(shí)驗(yàn)尚未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的跡象。正在進(jìn)行升級(jí)改造的歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）將在2015年重新啟動(dòng)，屆時(shí)其質(zhì)子束流的總能量可達(dá)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(cè)法。該方法是直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)，由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很“微弱”。為了降低本底，通常需要把探測(cè)器放置在很深的地下。暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是目前尋找暗物質(zhì)粒子最重要的探測(cè)方式。目前的實(shí)驗(yàn)精度下，只可能探測(cè)到弱相互作用重粒子（WIMP）的信號(hào)，而更弱的信號(hào)，如軸子、超對(duì)稱引力子是無法用這種方法探測(cè)的。目前國際上約有幾十個(gè)科學(xué)小組在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以期發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)信號(hào)，如氙100（XENON100）、低溫暗物質(zhì)搜尋（CDMS）計(jì)劃等。繼2009年宣布所發(fā)現(xiàn)的2個(gè)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(shí)驗(yàn)——超級(jí)低溫暗物質(zhì)搜尋（Super-CDMS）計(jì)劃項(xiàng)目組又報(bào)告了3個(gè)疑似暗物質(zhì)事件，計(jì)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(huì)作為暗物質(zhì)證據(jù)進(jìn)行發(fā)布[4,5]。

（3）間接探測(cè)法。是指通過測(cè)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(cè)量粒子能譜的難度較大，實(shí)驗(yàn)最好在空間進(jìn)行。但受到觀測(cè)精度限制，“費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡”（Fermi）、“反物質(zhì)探測(cè)和輕核天體物理學(xué)載荷”（PAMELA）和“先進(jìn)薄電離量能器”（ATIC）實(shí)驗(yàn)均未探測(cè)到確定的暗物質(zhì)粒子?？臻g探測(cè)的關(guān)鍵是選擇合適的探測(cè)粒子對(duì)象，且最好使用可以探測(cè)所有種類粒子的探測(cè)器，即大型磁譜儀。2013年4月，空間中首個(gè)測(cè)量精度達(dá)到1%的實(shí)驗(yàn)“阿爾法磁譜儀”（AMS-02）項(xiàng)目宣布在宇宙射線事件中探測(cè)到40萬個(gè)能量在5億—3 500億電子伏之間的正電子，該實(shí)驗(yàn)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(cè)和研究有望推動(dòng)新的物理學(xué)革命

目前，世界主要科技強(qiáng)國對(duì)暗物質(zhì)粒子的探測(cè)和研究都很重視。例如，美國國家科學(xué)基金會(huì)、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(píng)估小組”，指出解決暗物質(zhì)之謎的重要性尤為突出，并強(qiáng)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(diǎn)解決的6個(gè)重要基本問題之首[8]。

利用地下、地面大型探測(cè)裝置及空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)，探測(cè)到暗物質(zhì)粒子并揭開暗物質(zhì)之謎，將是21世紀(jì)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(cè)實(shí)驗(yàn)方面，世界各國已廣泛開展的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室——中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于開展高精度的暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（CDEX），上海交通大學(xué)等基于液氙的粒子和天體粒子氙觀測(cè)站（PANDAX）實(shí)驗(yàn)是該實(shí)驗(yàn)室首批開展的兩個(gè)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)[9]。

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

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(duì)于暗物質(zhì)的直接探測(cè)和間接探測(cè)，其信號(hào)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(yuǎn)鏡（LSST）和我國的南極昆侖站暗宇宙巡天望遠(yuǎn)鏡（KDUST）預(yù)期將起到重要作用。

1常進(jìn).暗物質(zhì)粒子探測(cè)：意義、方法、進(jìn)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)升級(jí)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(mèng)然.美地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(jìn)展及中國的機(jī)遇.中國科學(xué)院院刊，2011,26(5):496-503.