暗物質粒子探測

暗物質是天文學家觀測宇宙時發現的一種「暗」的物質。所謂「暗」的物質是指沒有觀測到這種物質任何的電磁輻射。我們知道，天文學家觀測宇宙所通過的媒介是不同波段的電磁波，如圖1所示，根據波長的不同，電磁波從波長最長的無線電波、微波、紅外線、可見光到波長比較短的紫外線、X射線和能量最高的γ射線。現代的天文觀測儀器發展迅速，在各個波段都有非常強有力的觀測儀器，然而，所有這些強大的天文儀器都沒有觀測到暗物質所發射的電磁輻射，故而被稱作暗物質。

圖1.不同波長的電磁波輻射

那麼暗物質又是如何被發現的呢？我們可以從太陽系中海王星的發現歷史得到很多啟發，從而更好理解暗物質的發現。自從牛頓發現了萬有引力定律以來，天文學家成功地解釋了大部分行星的運行軌道，如圖2所示。然而，對天王星運行軌跡卻不能得到令人滿意的解釋，它的運動規律和萬有引力的預言有著明顯的差異。法國天文學家勒維耶和英國天文學家亞當斯猜測太陽系中應該還存在一顆當時還沒有發現的行星，這顆行星的引力使得天王星的運動偏離了原來預期的軌道。根據他們的預言，伽勒在1846年發現了這顆行星，即海王星。這個故事就非常像今天的暗物質，雖然我們沒有觀測到暗物質的任何電磁輻射，但我們卻觀測到了暗物質的引力對於其他可見物質運動的影響，這就是天文學家推斷宇宙中存在暗物質的理由。

圖2.太陽系的行星結構

首先以太陽的運行為例。如圖3所示，太陽到銀河系中心的距離是2.8萬光年，而繞銀河系中心旋轉一周所需的時間是2.3億年。我們知道，要把太陽固定在這樣的圓周運動的軌道上所需向心力和物質提供的引力相等。通過簡單的計算就可以得到，產生這樣的向心力需要太陽軌道內包含大約1011MSun(太陽質量)的物質，而可以觀測到的恆星和氣體的質量只有大約幾倍的109MSun。顯然，還有更多的不可見的物質貢獻了更強的引力，這個推斷和當初推斷天王星之外還存在著海王星的道理是一樣的。如果不存在暗物質，那麼向心吸引力就要弱很多，太陽的旋轉速度也要相應小很多。

圖3.太陽繞銀河系運動的參數

圖4.M33的旋轉曲線

圖4所示是一個稱作M33的星系中恆星繞星系中心旋轉的速度隨著到星系中心距離的分布，上邊的曲線是觀測到的速度，而下邊的曲線是根據觀測的可見物質預計的速度分布。我們看到，兩者有著明顯的差別，實際測量的結果要遠大於計算結果，這表明還有不可見的物質增大了引力，這是天文學家推測暗物質存在最直接的觀測證據。根據不同距離處旋轉速度的大小可以推算暗物質的分布，因而我們可以得到如圖5所示的銀河系中的物質分布圖。從圖5可見，我們銀河系的恆星大部分分布在一個很小的盤狀結構中，這就是我們熟悉的銀盤。在銀盤外邊包圍著巨大的暗物質構成的球狀的結構，稱作暗物質「暈」。

圖5.銀河系的物質分布：普通恆星分布在盤狀結構上，而暗物質則形成一個巨大的幾乎球對稱的暈狀結構，稱作暗物質暈。

以上所介紹的是通過星系中恆星的旋轉速度判斷暗物質的存在，是暗物質存在最直接的觀測證據。其他天文觀測還有許許多多，無不證實了宇宙中暗物質的存在，比如星系團中熱氣體的分布、星系團所造成的引力透鏡效應、宇宙中微波背景的觀測等均在更大的尺度上證實了暗物質的存在。今天，天文學家建立了一個「標準宇宙學模型」，這個模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物質和5%的普通物質組成，可以成功解釋幾乎到目前為止所有的宇宙學觀測現象，可以說是當前人類對宇宙的最新認識。

儘管大量的天文觀測已經證實了暗物質的存在，但是，與發現海王星的過程不同的是，經過多年的各種努力嘗試後我們仍然沒有直接觀測到暗物質的存在。暗物質究竟是一種什麼樣的物質呢？一般認為暗物質應該是由一種全新的粒子構成，它不同於我們已經了解的任何一種組成我們周圍物質的粒子，目前我們所知道的它是穩定的、不帶電的、運動速度很慢的粒子。然而，其具體的性質如何，比如其質量大小，其相互作用的性質等都無法確定。

物理學家也提出了許許多多的暗物質模型來解釋暗物質的現象，然而，由於沒有暗物質觀測的直接數據，因而，不同的暗物質模型中暗物質粒子的性質相差非常大。在這許許多多的暗物質模型中，有一種被稱為是「弱作用重粒子」的暗物質模型是目前研究最多的。這類模型的出發點是解釋「暗物質在宇宙中如何產生」這個問題，這一模型認為暗物質應該和普通物質一樣是在宇宙的極早期由高溫高密的物質狀態中產生出來的，這就和普通物質的產生是相同的過程。如果這一假設成立，研究發現當暗物質質量和相互作用強度和我們已經了解的弱作用類似，那麼其在宇宙中所產生的密度就和今天我們觀測到的密度相一致。由於這類模型能夠解釋我們觀測到的暗物質在宇宙中的丰度，因而受到了極大的關注。目前大部分暗物質探測實驗所要尋找的對象就是這種「弱作用重粒子」的暗物質。

當前探測暗物質主要包括三類實驗方案，如圖6所示。要探測暗物質粒子就需要探測到暗物質粒子和普通粒子的相互作用，只有通過對探測信號的分析才能了解圖6中「未知相互作用」是什麼樣的。這種相互作用體現在三個方向上，從下向上，就是通過把普通粒子加速到很高的能量對撞產生出暗物質粒子，這就是對撞機探測，比如在歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)上進行的暗物質尋找就是這種探測方式。橫向的方向表示一個暗物質粒子和普通粒子發生彈性散射，通過探測這種散射產生的信號尋找暗物質被稱為暗物質的直接探測。從上向下的方向代表著兩個暗物質粒子碰撞並湮滅而產生一對普通粒子，通過尋找這樣的湮滅產物尋找暗物質粒子被稱為暗物質的間接探測。

圖6.暗物質的三種探測方式

暗物質的直接探測就是尋找當暗物質粒子打到探測器後所留下來的信號，通常這個信號非常的微弱，而宇宙線的雜訊信號要遠大於暗物質的散射信號。因而，為了探測到這樣微弱的信號，需要把探測器放在很深的地下實驗室以把宇宙線雜訊屏蔽掉。圖7顯示的是世界上地下實驗室的分布以及每個實驗室中所開展的暗物質直接探測實驗。我國的四川錦屏地下實驗室於2010年建成，是目前最深的因而也是宇宙線雜訊最小的地下實驗室，非常適於暗物質探測實驗的開展，目前有兩個直接探測實驗正在錦屏地下實驗室進行。不過，儘管直接探測實驗已經開展了大約30年的時間，實驗靈敏度有了巨大的提高，但是到目前為止，還是沒有發現令人信服的暗物質散射的信號。

圖7.世界上的地下實驗室分布和相應實驗室開展的直接探測實驗

圖8.暗物質間接探測示意圖

暗物質的間接探測的原理如圖8所示，即兩個暗物質粒子碰撞後會發生「湮滅」而變成我們熟悉的夸克、輕子等粒子。這些不穩定的粒子會迅速衰變而成為穩定粒子，如正負電子、正反質子、中微子、光子等。間接探測即是通過尋找宇宙線中的這些信號來尋找暗物質。間接探測實驗通常在地面和空間進行，地面的實驗適合探測暗物質湮滅所產生的γ射線信號和中微子信號，但帶電粒子會和大氣很快發生反應，所以地面實驗不是特別適合探測帶電粒子信號。通常為了得到更加乾淨的暗物質湮滅信號，需要在空間開展實驗，包括衛星實驗和在空間站開展的實驗。目前正在進行的空間實驗有如下幾個。Fermi衛星是美國發射的γ射線探測衛星，用來尋找暗物質湮滅所產生的γ射線信號。Fermi衛星2008年發射，至今已經運行了近10年，取得了大量的科研成果。然而，它卻沒有發現暗物質湮滅的信號，因而，給暗物質性質設置了非常嚴格的限制。另外兩個實驗PAMELA衛星實驗和AMS-02國際空間站實驗（圖9）都帶有磁場，因而能夠測量帶電粒子的電荷。它們主要是測量宇宙線中的反粒子，如正電子、反質子等，以尋找暗物質信號。最後一個是我國在2015年發射的暗物質粒子探測衛星「悟空」，它主要是通過探測暗物質湮滅所產生的電子來尋找暗物質信號。

圖9.幾個空間的暗物質探測實驗：AMS-02空間站實驗、Fermi衛星、「悟空」衛星

近年來在暗物質探測方面一個重要的進展就是發現了宇宙線中存在正電子超出。PAMELA衛星在2008年發現宇宙線中正電子比通常宇宙線物理所預期的流量高出了許多，這多出來的正電子讓科學家非常興奮，認為有可能就是人們長期夢寐以求的暗物質信號。研究表明，暗物質湮滅的確可以完美解釋這些多出來的正電子。但不幸的是，暗物質卻不是唯一的解釋。天文學家認為，銀河系中存在一種稱為脈衝星的天體，它是高速旋轉的中子星。這種天體可以加速產生高能量的正負電子對並輻射到銀河系空間，這類信號如果傳播到地球上，就可以解釋實驗所觀測到的多餘正電子信號。AMS-02是由著名的華裔物理學家丁肇中教授所領導，安裝在國際空間站上的大型實驗裝置。它更加精確地測量了宇宙線中正負電子的能譜，不但證實了PAMELA的觀測，還在更大的能量範圍和更高的精度上擴展了這一結論。但是，即使是AMS-02的結果也無法確認正電子的來源到底是暗物質還是脈衝星。圖10中不同的曲線代表了不同來源的正電子，我們發現這些曲線都能夠解釋圖中的AMS-02的數據點。要解決這個問題需要更大的探測器才可能完成。此外，AMS-02最近發表了反質子的測量結果，這個測量結果似乎在最高能量的地方和宇宙線的理論預期不符，即需要額外的反質子來源。如果這一結果將來被證實，這極有可能是暗物質湮滅的信號。但目前的實驗數據仍然不足以確認這一結果。

圖10.AMS-02觀測的宇宙線中正電子所佔比例（點）和不同的理論模型解釋（圖中的實線）

我國的「悟空」衛星就是希望能夠在更高的能量範圍內測量宇宙線電子的能譜(由於「悟空」探測器不帶磁場，因而無法區分正負電荷，它測量的實際是電子和正電子加起來的能譜，我們統稱為電子能譜)，從而可以幫助研究宇宙線超出的正電子的來源。「悟空」的第一個實驗結果在2017年底發表（圖11），這個結果是第一次通過空間直接探測，把宇宙線電子的能量測量到4.6TeV，並發現了能譜的「拐折」的結構，但是，這些還是不足以確認是否存在暗物質。尋找暗物質可能需要在更高能量及更高精度上進行研究。我國空間站的未來宇宙線實驗HERD將可能在這方面取得重要的突破，為暗物質尋找提供更多的線索。

圖11.「悟空」的觀測結果---高能電子能譜

總之，暗物質問題是當前基礎物理學研究中一個至關重要的問題，科學家為解決這一問題做出了不懈的努力。然而，這些探尋暗物質的工作，儘管取得了巨大的進步，獲得了多方面的科研成果，卻仍然沒有找到確定的暗物質信號，暗物質之謎將繼續存在並依然困擾著人們。可喜的是，我國科學家在這一領域雖然起步較晚，但已經取得了國際領先的成果，在不同暗物質探測方向上都顯示了極強的競爭力。

作者系中國科學院高能物理研究所研究員

來源：《現代物理知識》

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