5 如何探测暗物质粒子

暗物质粒子的探测在当代基础物理学，包括粒子物理、天体物理、宇宙学等领域是一个很热门的研究领域——宇宙中最主要的一种物质成分到底是什么？这个听起来就激动人心的问题，几十年来孜孜不倦地吊着科学家和公众的胃口。对于大质量弱相互作用粒子来说，物理学家试图通过放置在地下实验室的探测装置，屏蔽掉各种干扰来寻找暗物质粒子与普通物质可能发生的相互作用。天文学家们尝试通过地面或太空望远镜对暗物质粒子在宇宙中可能发生的相互碰撞并湮灭产生的次级粒子来间接寻找暗物质粒子存在的证据。粒子物理学家们希望欧洲大型强子对撞机（LHC）或者未来更大能量的粒子对撞机能够“人工”自制出暗物质粒子来。

    5.1 暗物质粒子的直接探测

   暗物质粒子游离在宇宙中的任何一个角落，地球就是在这样的“暗物质粒子汤”中穿行着。地球上任何一个原子核都有一定的概率被一个暗物质粒子撞一下，虽然暗物质粒子我们看不到，但如果一个原子核无缘无故“身子”晃了晃，那一定是暗物质粒子干的，我们就抓住了暗物质粒子的踪迹。物理学家可以探测这种暗物质粒子与原子核之间的相互作用所释放出的热量或闪光，从而判别碰撞的起源是不是暗物质粒子造成的，物理学家把这种探测方式叫做直接探测。暗物质直接探测试验一般设置于地下深处，地表几百米甚至几千米以下，以排除各种可能造成原子核被碰撞的背景噪声，并且探测装置要经过多种屏蔽处理等降低噪声。这类的实验室包括美国的Soudan 和DUSE、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室等。我们国家在四川锦屏山建设了地下2500 m世界最深的地下实验室，正在开展PandaX、CDMX等暗物质粒子直接探测实验，已经取得了世界领先的研究成果。

      5.2 暗物质粒子的间接探测

      地球上的暗物质探测实验一方面要仰仗暗物质粒子跟普通物质多多少少要发生一些相互作用，如果暗物质粒子真的完全无视普通物质，那这种直接探测实验就无能为力了。另一方面，即便真的看到了无法解释的“碰撞信号”，仍然需要依赖于对暗物质空间分布的模型才能把地球上的测量结果与宇宙整体暗物质特性联系起来——毕竟我们无法在宇宙空间的其他地方重复这样的实验。到底直接探测发现的粒子是不是我们要寻找的主导宇宙物质组分的暗物质粒子？与直接探测实验互补的另一种探测方式的基本思路是：既然暗物质粒子无处不在，我们可以通过望远镜去寻找暗物质粒子在宇宙中发出的信号，这就是暗物质粒子间接探测实验。

     间接探测主要是寻找两个暗物质粒子互相碰撞湮灭时所产生的讯号。

     不同的暗物质模型预言暗物质粒子湮灭所产生的末态粒子不同，或者比例不同，比如产生高能伽马射线光子或正反粒子对（比如正负电子、正反夸克等）。

      针对不同的末态粒子，物理学家和天文学家设计了不同的空间望远镜和探测装置。尽管暗物质粒子在宇宙中无处不在，对暗物质可能产生的带电粒子来说，很难在宇宙中传播的过程中会受到磁场的影响，传播方向发生偏折，一般很难知道探测到的带电粒子是从哪个方向发射出来的，只能通过高能带电粒子的能谱特征来搜寻暗物质的迹象。

      而伽马射线光子保留了方向的信息，与能谱信息结合起来可以提供更多暗物质粒子的佐证与判据。在星系暗物质晕中的暗物质粒子可以通过一些间接的复杂物理过程产生伽马射线光子。

      对间接探测手段而言，最重要的在于完全了解背景噪声的来源，从中寻找到可靠的暗物质迹象。美国航空航天局于20 世纪90 年代发射了EGRET 伽马射线望远镜，并于2008年6月11日发射运行费米伽马射线太空望远镜搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件，是迄今为止在伽马射线能段最有效的望远镜。ATIC 实验2008 年发现正负电子的能谱在几百GeV的能段有一个超出理论预言的鼓包，恰恰符合了大质量弱相互作用粒子的预言，轰动一时。意大利领导的实验计划PAMELA 更是于2009年就探测到正电子的能谱在高能段的变化，成为一个可能的暗物质信号。

     美籍华裔科学家丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪（AMS），也被称为反物质磁谱仪，通过巨大的磁铁把带正电和负电的粒子区分开，主要目的是探测宇宙中的反物质和暗物质。第1台AMS-01 在1998 年进入轨道，而第2 代价值20亿美元的AMS-02于2011年由航天飞机运送到国际空间站开始观测（这也是航天飞机的最后一次发射），是迄今为止灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段，由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成，发射4年多来已经精确地测量了正负电子谱和其他带点宇宙射线的能谱，实验过程可能持续15~20年。

     5.3 用粒子对撞机人造暗物质

   不论是直接探测还是间接探测，目标都是想办法通过空间或者地面的探测器抓住在宇宙中游离的暗物质粒子的信号。那么为何不自己制造一些暗物质出来研究呢？事实上，粒子物理学家们正在利用瑞士日内瓦附近的欧洲大型强子对撞机（LHC）寻找暗物质粒子。大型强子对撞机会将大量质子加速到十分接近光速并使它们相撞。这样的粒子碰撞过程通过强大的能量释放产生大量的新粒子。在大量的粒子产物中，有这样的一种可能：在释放出来的新粒子中探测器发现有一束粒子射出，但在另一侧却发现没有粒子出来。发生这种情况就只有一种可能性，那就是出来的粒子是一种探测器无法检测到的粒子形式，这就很有可能是暗物质粒子——比如前文提到的一种暗物质粒子的候选者——大质量弱相互作用粒子。如果这种粒子的确是组成暗物质的基本粒子，并且我们利用大型强子对撞机发现了它，那将是物理学具有划时代意义的发现。然而，如果暗物质并非如大质量弱相互作用粒子理论中所预言的那样，那么或许大型强子对撞机或许就不能检测到它，或者需要更高能量更强大的粒子对撞机。中国正在考虑建设的新一代环形正负电子对撞机（CEPC），并在第二阶段升级为质子对撞机（SPPC），届时对撞机能量比目前运行的欧洲大型强子对撞机能量高7倍，暗物质粒子的寻找也是其重要的科学目标之一。

      6 为什么要发射空间天文望远镜

   研究暗物质由于地球引力作用，几乎全部的大气集中在离地面100 km 的高度范围内，其中75%的大气又集中在地面至10 km高度的对流层范围内。在地球表面进行天文学的研究会由于地球大气层的电磁辐射的干扰和过滤而受到限制。太空望远镜的概念最初出现在20世纪40年代，天文学家们设想将望远镜放置到太空，因为地球的大气层对许多波段的天文观测影响甚大（图4），若能将望远镜移到太空中，便可以不受大气层及地表人类生产生活产生的各种信号的干扰，得到更精确的天文资料。迄今为止，大量的望远镜被发射到了轨道上，数十年来极大地增加了我们对于宇宙的认识。目前已有不少空间望远镜在太空中运行，许多太空天文台已经完成了它们的任务，而另外一些则仍然在运作中。举例来说，X射线完全不能穿透地球大气层，使得建立在X射线观测基础上的天文学在地表是不可能的。而现在众多来自美国、欧洲和日本的X射线望远镜卫星的发射打开了天文学研究的新局面，在高能天体物理的研究中占据了核心的地位，印度也在近期发射了第1颗X射线卫星，我国也将在2016年下半年发射首颗X射线天文卫星。同样的，红外线和紫外线也被大气层大量阻断，而暗物质粒子探测卫星所观测的伽马射线能段，也只有空间装置可以实现探测的目标。

     著名的空间天文望远镜包括观测可见光波段的哈勃空间望远镜，观测红外波段的史匹哲太空望远镜、赫歇尔望远镜，观测微博波段的WMAP、Planck望远镜，观测X光波段的钱德拉太空望远镜，观察伽马射线波段的康普顿天文台（已于2000年退役）与正在运行的美国费米太空望远镜等。即将升空的大型空间望远镜包括计划于2018年发射的美国航空航天局新一代空间望远镜，计划接替哈勃的天文研究使命。该望远镜以NASA第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名，目标是寻找宇宙有史以来第一代恒星和星系；WFIRST则是美国暗能量探索计划之一，旨在寻找并精确测量暗能量、寻找太阳系外行星。

      7 中国暗物质粒子探测卫星（DAMPE）

      暗物质粒子探测卫星是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中，4颗科学卫星的首发卫星，也是中国空间科学卫星系列首发星。由中国科学院紫金山天文台等科研单位共同参加有效载荷、科学应用等工程项目研制工作。其科学目标为通过高空间分辨和高能量分辨的精确测量方式，研究高能电子、伽马射线以及宇宙射线的能量和方向，寻找暗物质粒子存在的证据和研究其物理特性，并在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展，是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器。在卫星结构方面，暗物质卫星首次尝试了“科学探测载荷一体化”设计，卫星有效载荷质量1410 kg，整星质量1850 kg，载荷平台比达到了3.2∶1。

     这样的设计减小了卫星体积，降低了重量，大幅节省了发射成本。2015年11月9日，中国科学院重大科技任务局在中国科学院国家空间科学中心组织召开了暗物质粒子探测卫星工程星箭出厂审定会。11月14日卫星和火箭从上海航天科技八院起运，驶往酒泉卫星发射中心。12月17日，暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心，搭载由中国航天科技集团第八研究院研制的长征二号丁型火箭成功发射，并顺利进入预定转移轨道，标志着中国空间科学研究迈出重要一步。这是长征-2D型火箭第26次出征任务，也是长征系列运载火箭的第221次飞行。

     8 国际与国内暗物质研究的现状与展望

      国际物理学界对暗物质的研究相当重视，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）、航空航天局（NASA）、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，以保持其领先地位。美国国家科学院发布的天文及天体物理2012—2021“十年规划”中，暗物质和暗能量是主要的研究方向。美国通过搭载于费米（Fermi）伽马射线空间卫星上的“大面积望远镜”和位于国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）进行暗物质的间接探测。2008 年，欧洲天体粒子物理联盟所规划的路线图中，暗物质直接探测实验位于其所规划的7 个项目之首。

      星系分布在更为扩展的暗物质晕的结构当中，这样的图像不仅得到观测的支持，而且被近年来快速发展的宇宙学数值模拟所验证

      2009 年发射的普朗克（Planck）空间观测卫星已经完成了它的使命，并于2016年年初给出了最新的宇宙学参数的测量结果，包括迄今为止最为精确的暗物质组分的参数测量。欧洲下一步计划在2020 年左右发射欧几里得（Euclid）航天器，通过观测大量的星系在空间中的分布特性来精确测量宇宙学基本参数（图5），从而帮助深入理解暗能量和暗物质的物理特性。而日本与美国合作也于2015 年8 月发射了CALET 探测器，成功放置在国际空间站上属于日本的舱位开展研究。

     中国对暗物质和暗能量的研究非常重视。揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。我国已经在考虑建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置，包括地下和太空的粒子探测器和在南极建立大口径天文望远镜，以取得第一手实验数据，在国际竞争中处于主导地位。中国暗物质粒子探测器（DAMPE）卫星通过探测来自宇宙空间的高能伽马光子、电子及质子，以实现对宇宙空间中的暗物质的间接观测，而下一代伽马射线卫星盘古（PANGU）卫星已经在积极的筹划中，将成为首个针对MeV 到GeV 能段的空间探测望远镜，寻找暗物质在这个特殊能段的信号。基于中国未来空间站为平台的高能宇宙辐射探测装置（HERD）也处于积极的研发中，并已经在技术预研上取得了相当的进展。

     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。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人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。在过去的几年里面，中国科学家在暗物质的研究中实现了跨越式的发展，取得了重要的成绩。这些基础让中国跟上了国际前沿研究的步伐，并在某些方面达到国际上先进水平，甚至世界领先。包括暗物质粒子探测卫星在内的实验项目将在未来几年内完成一系列互相关联的探测项目，使中国的暗物质研究能够有机会作出引领世界的贡献。除了中国四川锦屏地下暗物质实验室外，其他正在计划中的科学实验包括在中国西藏阿里地区建设宇宙微波背景辐射观测望远镜，首次实现对北半球暗物质大尺度空间分布的精确探测。这些规划中的科学实验将能够全面探索暗物质的基本属性，期待着下一个10年，暗物质的探测实验将给人类展现宇宙最神秘的一面。