暗物質粒子探測和LHAASO實驗

一、我們的宇宙很「黑暗」

理解我們所生存的宇宙一直是人們孜孜以求的目標。根據日月星辰的運動，人們從中掌握了晝夜交替和季節變化的規律，並將其用於農業生產和曆法授時；通過行星的精確運動規律，開普勒總結出了行星運動三大定律並導致了牛頓提出萬有引力定律；望遠鏡的發明極大地拓展了我們的視野，引導我們對宇宙的認識逐步走出太陽系、走出銀河系、走向極其深遠的宇宙空間。圖1形象地展示了我們宇宙宏大、豐富的層次結構以及地球在宇宙中是處於何種微不足道的位置。

圖1 宇宙的層次結構

在認識宇宙的過程中，一個很自然的問題就是，宇宙中有些什麼物質(物體)以及有多少物質？回答這個問題需要一項非常基本的技能——給天體「稱重」(測量質量)。但天體是遙不可及的，如何能夠測量它們的質量呢？天文學家很巧妙地想到了利用天體的運動來推斷質量，本質上是根據萬有引力定律和牛頓第二運動定律。比如在太陽系內，行星繞著太陽做近似圓周運動，運動的速度隨著離太陽的距離增加而下降，反比於距離開平方根，即開普勒第三定律描述的內容。太陽系行星運動觀測結果的確非常完美地符合這個規律，見圖2(a)。根據圖中的數值我們可以簡單地做個計算，比如地球離太陽的距離為1 個天文單位，約1.5億千米，地球繞太陽運動的速度約為30千米每秒，我們可以得到太陽的質量約為2×1030千克。太陽系裡如此，我們自然預期在星系裡也應該有類似的現象，唯一的區別是太陽在太陽系裡可以被作為點質量，而星系裡星星的分布範圍會更廣一些。然而觀測結果卻出乎意料：星系中天體繞星系中心旋轉的速度並不像太陽系中那樣越遠的地方轉動越慢(圖2(b)虛線所示)，而是越到外圍轉得越快(綠點所示)！這給我們一個啟示，可能在星系空間中存在一些不發光的物質，雖然我們看不見它，但它卻通過引力影響著天體的運動。人們將這種假想的物質稱為暗物質。

圖2 太陽系行星繞日運動速度隨距離的變化關係(a)，M33 星系中天體繞星系中心旋轉速度隨距離的變化關係(b)

話說「孤證不立」，如果只是單一的證據，那便不足取信。事實上天文學家在很多天文觀測中都發現了需要存在額外物質才能解釋的現象，大到宏觀宇宙，小到矮星系尺度；方法上也不僅限於測量天體的運動，人們還用上了諸如引力透鏡效應、星系計數等等。總而言之，現代天文學觀測告訴我們宇宙的組分只有約5%是由原子構成的恆星、氣體等我們稱之為普通物質的天體，有約25%是上面提到的暗物質，還有約70%是一種更為神秘的、驅動宇宙加速膨脹的暗能量。我們的宇宙實際上是籠罩在「黑暗」之中。暗物質和暗能量的物理本質被譽為新世紀物理學的「烏雲」，認識它們很可能會導致基礎物理學的革命性突破。

二、暗物質是黑洞嗎？

我們知道黑洞是一種具有極強引力場的物體，即便是光都無法逃離黑洞的引力，因此才得名為黑洞。觀測上我們也確實發現宇宙中存在大大小小的黑洞，比如在銀河系的中心存在一個四百萬倍太陽質量的超大質量黑洞，而激光干涉儀引力波天文台發現的引力波信號，更是恆星級質量黑洞存在的直接證據。那麼如果宇宙中遍布著黑洞，它們也不發光，是否就可以解釋暗物質現象呢？

的確在很早的時候人們想像中的暗物質就是類似黑洞這樣的天體，不僅僅是黑洞，還包括一些別的發光非常暗弱的天體，人們給這類天體起了個名字叫「大質量緻密暈狀天體」，簡稱為MACHO。MACHO發光很弱或者不發光，直接觀測它們非常困難。天文學家發明了一種辦法來觀測它們。如果一個MACHO天體位於地球和某顆恆星之間，它的引力將會偏折恆星發出的星光，產生一種稱為微引力透鏡的現象。MACHO天體越多，這種微引力透鏡事件就會越頻繁發生。通過一系列搜尋微引力透鏡的努力，人們發現觀測到的微引力透鏡事件率遠遠達不到解釋暗物質現象所需的MACHO數量。因此MACHO或者說黑洞這條路基本上是行不通的(但這個問題目前還不能下絕對定論，因為任何觀測都有一定的局限性，如果MACHO質量位於某些特定範圍，它們仍然可能構成暗物質。不過需要注意到這種可能性比較低)。此外，天文觀測結果還表明暗物質的物理屬性應該和普通物質不同，即它們根本就不能由構成普通世界的原子構成，否則宇宙面貌跟今天觀測到的結果將截然不同。

三、暗物質是一種新粒子嗎？

如果說暗物質不是黑洞，也不是由普通物質構成的任何不發光天體，那麼最大的可能性便是某種尚未發現的新粒子了。普通物質主要由質子、中子和電子構成，或者更基本一點，由夸克和電子構成。除此之外，宇宙中穩定存在的粒子還有光子和中微子。通過粒子對撞機和宇宙線，人們還發現了少量的反物質粒子，以及多種不穩定粒子。但是所有這些粒子表現出來的性質都不符合天文觀測所揭示的暗物質屬性，因此很有可能暗物質是某種或者某些尚未發現的新粒子。在理論物理學家眼裡，這樣的新粒子五花八門、形形色色。其中最受青睞的一類粒子，人們也給它們起了個名字，叫做弱相互作用大質量粒子，簡稱WIMP。

弱相互作用是大自然的四種相互作用之一，典型的弱相互作用過程是中微子和物質的相互作用。弱相互作用名副其實，例如中微子幾乎都可以穿越整個可觀測宇宙而不發生任何碰撞。天文觀測得到的關於暗物質的證據均是來自於引力相互作用，而暗物質顯然應該不具有電磁相互作用和強相互作用，否則我們應該能夠很容易地看到它們發出電磁輻射或者和物質強烈碰撞等。暗物質可能具有弱相互作用，這符合目前所有的觀測事實。這樣的話我們就有可能在實驗室里探測到暗物質，就類似於通過大型實驗裝置探測到中微子一樣。暗物質即使具有弱相互作用，這種相互作用的強度也必定非常弱，因此探測暗物質非常具有挑戰，需要很大規模、很高精度的探測設施。當然暗物質也可能沒有弱相互作用，那樣的話我們只能說很遺憾，認識暗物質本質的唯一窗戶也被關上了。

科學家們提出了幾種方案來探測WIMP暗物質粒子。最直接的方案就是去探測暗物質粒子和普通物質粒子(例如原子核)的碰撞反應，這種碰撞就像打撞球一樣，不過我們不能直接看到「白球」的軌跡，而需要通過被「白球」擊中的「綵球」的運動來推斷「白球」的性質。這種方法也被稱為直接探測。如果存在這類的碰撞反應，那麼我們便有可能觀察到被撞之後的原子核的運動，可能以電離、發光或者發熱等方式呈現出來。目前國際上正在或計劃開展的暗物質直接探測實驗有數十個，中國在四川錦屏深地實驗室中也正在進行兩個直接探測實驗，PandaX和CDEX。

第二種方案是通過高能粒子對撞機撞出暗物質粒子。歷史上有很多的新粒子都是通過粒子對撞機發現的，例如丁肇中教授發現的J/ψ粒子和2012年大型強子對撞機發現的「上帝粒子」——希格斯粒子。如果對撞粒子的能量和數量足夠，將有機會能夠產生暗物質粒子。但這個方法需要建造大型粒子加速器，成本非常高昂。

第三種方案稱作間接探測。理論上預期WIMP暗物質粒子可以發生自湮滅或者衰變，變成普通物質粒子，這些粒子會混跡在宇宙射線中，因此通過宇宙射線實驗有可能會觀測到它們從而反推出暗物質粒子的屬性。相比較前面兩種方法，這種方法顯得更加間接一些，因為觀測暗物質湮滅或衰變後留下的遺迹畢竟還是不如直接探測那樣「抓現行」。但三種方案各有優勢，互為補充。間接探測實驗國際上也有好幾個項目正在進行。中國於2015 年底發射了暗物質粒子探測衛星「悟空」號，其主要科學目標就是通過高精度觀測宇宙射線來揭示暗物質的屬性。三種探測WIMP暗物質粒子的方法原理圖見圖3。

圖3 三種探測WIMP暗物質的原理示意圖

四、LHAASO 如何探測暗物質？

正在四川稻城建設的大型基礎科學設施「高海拔宇宙線觀測站」（LHAASO）是一個高海拔、大視場、平方千米級、複合式探測技術的宇宙射線和伽馬射線觀測站。LHAASO通過觀測高能宇宙射線粒子在空氣中形成的級聯簇射產生的次級粒子來測量宇宙射線。空氣簇射的發展從大氣層頂部開始呈現出先增長後衰減的方式，LHAASO 選擇在海拔4400米的高山上做實驗，正好可以測量到簇射發展比較充分的階段，有利於做出精確的測量。LHAASO採用了三類不同的探測器來探測次級粒子，包括覆蓋1.3平方千米面積的表面粒子探測陣列KM2A，覆蓋7.8萬平方米的水切倫科夫光探測陣列WCDA，和20台廣角大氣切倫科夫光望遠鏡WFCTA。三類探測器既可以相互驗證又可以優勢互補，共同實現寬能段、高精度的宇宙射線和伽馬射線觀測。LHAASO視場很大，每一時刻可以覆蓋約15%天區，藉助地球自轉可以實現對幾乎整個北半天球的覆蓋。LHAASO計劃於2021年建設完成。前期1/4陣列將於2019年內建成並開始試運行。預期LHAASO將在宇宙射線起源和高能天體物理研究方面取得突破性進展。

LHAASO也將會是暗物質粒子探測的利器，基於上述間接探測的原理。LHAASO主要通過觀測伽馬射線來探測暗物質。LHAASO探測暗物質的優勢體現在兩個方面。一是能段高，LHAASO將可以觀測數百GeV到一百萬GeV 的伽馬射線，而且在一萬GeV以上的能LHAASO的觀測靈敏度將達到世界最高水平。如果暗物質粒子恰好位於這樣的高能量段，那麼LHAASO將會是國際上最好的探測儀器。第二個優勢是視場大。我們對暗物質信號最強(或者說信噪比最高)應該出現在哪裡並沒有十足的把握，雖然像銀河系中心這樣的地方最有可能是暗物質高度聚集之處，然而銀心的天體輻射也很強，導致銀心並不是暗物質探測的首選。而暗物質在銀河系內可以形成為數眾多的子結構，它們可能隨機地分布在各個地方。如果探測器的視場足夠大，就會明顯降低漏掉信號的可能性。LHAASO幾乎可以覆蓋整個北半天球，這對暗物質探測非常重要。

暗物質探測是目前物理學領域最前沿的熱點問題之一，全世界有幾十個相關實驗正在進行。近年來中國在這個領域也部署了一系列實驗開展相關研究，在天上有「悟空」衛星，在地面有LHAASO實驗，在地下有錦屏實驗，這些實驗取得的部分成果已經達到國際上最高的水平。希望在不遠的將來中國在暗物質探測方面能夠取得突破，引領物理學的新方向。

來源：現代物理知識雜誌

「現代物理知識雜誌」，由中國科學院高能物理研究所主辦，是我國物理學科的一份中、高級科普性期刊。

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