暗物质粒子的探测和研究可能取得突破

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆空间科技团队王海霞（E-mail:wanghx@mail.las.ac.cn：）、王海名

审稿专家：中科院高能物理所张新民研究员

暗物质粒子的探测和研究可能取得突破

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆空间科技团队王海霞（E-mail:wanghx@mail.las.ac.cn：）、王海名

审稿专家：中科院高能物理所张新民研究员

1 作为研究宇宙大尺度结构形成过程的要素，暗物质的存在已被广泛接受

“暗物质”是指宇宙中具有引力效应，但是不会直接和光发生作用的物质，被认为是由一种超出粒子物理标准模型的全新粒子构成。人们对其粒子物理的性质还知之甚少。20世纪初物理学的“两朵乌云”——以太说和黑体辐射——推翻了经典物理理论，催生了量子力学和相对论。与之类似，对与暗能量并称为21世纪物理学的“两朵乌云”的暗物质的探测和研究，很可能产生新的物理学革命。

现代意义上的暗物质概念最早是由瑞士天文学家弗里兹·扎维奇提出的。1933年，扎维奇研究后发现星系团中星系运动的速度弥散，根据所测得的星系速度弥散并应用维里定理得到的星系团质量比从星系团中发光星体推断出的质量大400倍左右，因此推测星系团中可能存在不发光的物质。20世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾通过对旋涡星系的详细观测，使得“暗物质”这个概念得到了科学界的认可。2006年“钱德拉X射线望远镜”（Chandra）观测到两个星系团的合并，发现星系团中发光的热气体和两个星系的质量中心并不重合，这一现象被认为是暗物质存在的直接证据[1]。近年来，由于“威尔金森微波各向异性探测器”（WMAP）和“普朗克”（Planck）卫星对宇宙微波背景辐射各向异性的精确测量，我们可以通过拟合卫星数据精确确定宇宙中暗物质的总量。最新拟合结果是暗物质在宇宙中所占的组分约为26.8%，约占宇宙中物质总量的85%[2]。从暗物质的概念提出至今，人们在各种尺度的天文观测中都发现了暗物质存在的证据。

2 暗物质粒子探测手段多样，但至今尚无明确的存在定论

由于暗物质粒子不发光且不直接与光发生作用，普通的光学观测无法发现它的踪迹。目前大致有3种探测暗物质粒子的方法：

（1）在加速器上“创造”暗物质粒子并研究其物理特性。虽然被“创造”出来的暗物质粒子不能被直接观察到，但通过其他可以观测到的粒子能够推测出是否有暗物质粒子产生，同时在“创造”暗物质粒子的过程中会带走能量，因此从丢失的能量及其分布可以推测暗物质的某些性质。迄今为止，所有的加速器实验尚未发现暗物质粒子的迹象。正在进行升级改造的欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）将在2015年重新启动，届时其质子束流的总能量可达14万亿电子伏特，有望“创造”出少量暗物质[3]。

（2）直接探测法。该方法是直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号，由于发生碰撞的概率很小，产生的信号也很“微弱”。为了降低本底，通常需要把探测器放置在很深的地下。暗物质直接探测实验是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式。目前的实验精度下，只可能探测到弱相互作用重粒子（WIMP）的信号，而更弱的信号，如轴子、超对称引力子是无法用这种方法探测的。目前国际上约有几十个科学小组在设计实验以期发现暗物质信号，如氙100（XENON100）、低温暗物质搜寻（CDMS）计划等。继2009年宣布所发现的2个事件可能与暗物质粒子有关之后，2013年4月13日，美国的地下暗物质实验——超级低温暗物质搜寻（Super-CDMS）计划项目组又报告了3个疑似暗物质事件，计算结果表明，其是WIMP的可能性为99.81%，但由于只有3西格玛水平，并不会作为暗物质证据进行发布[4,5]。

（3）间接探测法。是指通过测量暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定高能粒子如伽玛射线、正电子、反质子、中微子等的能谱，发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。由于地球大气的影响，在地面上高精度测量粒子能谱的难度较大，实验最好在空间进行。但受到观测精度限制，“费米伽马射线空间望远镜”（Fermi）、“反物质探测和轻核天体物理学载荷”（PAMELA）和“先进薄电离量能器”（ATIC）实验均未探测到确定的暗物质粒子。空间探测的关键是选择合适的探测粒子对象，且最好使用可以探测所有种类粒子的探测器，即大型磁谱仪。2013年4月，空间中首个测量精度达到1%的实验“阿尔法磁谱仪”（AMS-02）项目宣布在宇宙射线事件中探测到40万个能量在5亿—3 500亿电子伏之间的正电子，该实验结果符合宇宙中暗物质粒子碰撞湮灭产生正电子的理论，但目前还不能排除这些暗物质来自脉冲星的可能性[6,7]。

3 暗物质粒子探测和研究有望推动新的物理学革命

目前，世界主要科技强国对暗物质粒子的探测和研究都很重视。例如，美国国家科学基金会、美国国家航空航天局以及美国能源部在2006年联合成立了“暗物质与暗能量研究评估小组”，指出解决暗物质之谜的重要性尤为突出，并强调美国必须立刻加大投入，保持在该领域的领先地位。2008年，欧洲推出了天体粒子物理路线图，“什么是暗物质”位居未来10年重点解决的6个重要基本问题之首[8]。

利用地下、地面大型探测装置及空间探测实验，探测到暗物质粒子并揭开暗物质之谜，将是21世纪人类最伟大的科学发现之一。

在暗物质的直接探测实验方面，世界各国已广泛开展的实验有CDMS、XENON、宰普林（ZEPLIN）、爱德维斯（EDELWEISS）等，而且其灵敏度在不断提高。在这方面，2008年我国规划了路线图，开始建设世界上埋深最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室，对于开展高精度的暗物质直接探测实验具有重要的意义。目前，清华大学等基于高纯锗的中国暗物质实验（CDEX），上海交通大学等基于液氙的粒子和天体粒子氙观测站（PANDAX）实验是该实验室首批开展的两个暗物质直接探测实验[9]。

在暗物质粒子间接探测方面，南极地下2 000米的冰立方（IceCube）望远镜，地面的高能立体望远镜系统（HESS）、甚高能辐射成像望远镜系统（VERITAS）、主要大气伽马射线成像切伦科夫望远镜（MAGIC）等实验预期会在未来几年产生更多数据。随着实验的升级和灵敏度的提高特别是未来大型高海拔空气簇射观测站（LHAASO）项目的开展，我国西藏羊八井的宇宙线地面观测站在间接探测暗物质粒子方面将具有一定的潜力。在空间探测方面，FERMI、AMS-02以及我国的暗物质粒子探测卫星和空间站暗物质粒子探测项目都将对暗物质的研究做出有意义的贡献。

关于暗物质性质的研究与天文研究紧密相关。例如，对于暗物质的直接探测和间接探测，其信号的预言或解释都依赖于暗物质的密度及空间分布，因此，这些研究必须和天文研究紧密结合。在该方面，美国大口径综合巡天望远镜（LSST）和我国的南极昆仑站暗宇宙巡天望远镜（KDUST）预期将起到重要作用。

1常进.暗物质粒子探测：意义、方法、进展及展望.工程研究——跨学科事业中的工程,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华凌.欧洲大型强子对撞机升级改造有助于揭示宇宙中神秘的“暗物质”.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张梦然.美地下暗物质实验发现暗物质初步线索.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张新民,陈学雷.暗物质、暗能量研究进展及中国的机遇.中国科学院院刊，2011,26(5):496-503.