刘江来
上海交通大学物理与天文系
特别研究员
1 概要描述与原理探测
1.1 暗物质及发现它的物理意义
通过大量的天文和宇宙学观测，天体物理和宇宙学家为我们所处的宇宙描绘了一幅图景，其中我们已经了解的普通物质占4.9%，其余由26.8%暗物质和68.3%暗能量组成（见图1）。所有的这些观测证据都来自引力效应，而我们对暗物质和暗能量的微观本质几乎一无所知。可以确信的是，它们无法用粒子物理学中最成功的标准模型（已经获得19次诺奖）进行解释！因此，暗物质和暗能量被誉为21世纪物理学的“两朵乌云”，对它们的研究是当前基础物理学最前沿的方向，科学家相信这方面的研究极有可能产生革命性的突破。
理论物理学家提出了许多关于暗物质微观解释的理论模型，其中研究得最多的就是弱相互作用重粒子（WIMPs），种种迹象表明我们可能快要达到发现WIMP的边缘。就像我们普通世界有各种形形色色的基本粒子组成，WIMP也可能是一个更大的家族，会在根本上改变我们对基本粒子和相互作用的理解。在实验室发现暗物质并研究暗物质的本质难道不是一个激动人心的预言？
图1 宇宙中能量和物质的分布[1]
1.2 弱相互作用重粒子的探测
（1）直接探测：暗物质直接探测实验是通过探测WIMPs和靶物质的原子核发生弹性碰撞后产生的可观测信号来验证其存在的，而这些碰撞事例发生的概率非常之低。因此，控制实验的本底是这些实验所面临的最大挑战之一。为了减少来源于高能宇宙射线的本底信号，暗物质的直接探测实验通常运行于地底深处。例如，中国首个大型液氙暗物质直接探测实验PandaX项目就坐落于中国锦屏极深地下实验室（CJPL）内（见图2）。
（2）间接探测：WIMPs的间接探测主要是通过探测它们在银河系中的湮灭产物来进行探测。由诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中所主持的阿尔法磁谱仪项目（AMS，见图3）也是暗物质间接探测的一个例子，其第一个实验结果——已发现的40万个正电子很有可能来自一个共同之源——暗物质。今年年底，中国将发射自己的第一颗暗物质探测卫星，开展暗物质间接探测研究。
图2 PandaX探测器（谈安迪拍摄）[2]
图3 AMS二期实验示意图
图4 ATLAS探测器主体[3]
（3）对撞机探测：通过对撞高能粒子，直接产生暗物质。通过寻找“能量不守恒”的事例分布来测量暗物质，这样的实验可以在欧洲日内瓦的强子对撞机上的实验装置上（如ATLAS实验，见图4）开展。
可以预言，只有暗物质被多种渠道发现并且结果自洽，人们才会认可暗物质被确信无疑的发现。
2 应用意义与前景
20世纪30年代以来，宇宙学和天文学观测已经积累了大量的暗物质存在并主导当前宇宙质量分的证据，可是暗物质除了引力以外的物理本质我们却所知甚少。常规的物质基本组成单元是标准模型里的各种粒子，而暗物质很可能是一种或是多种超出标准模型的基本粒子，和普通物质有微弱的相互作用。如果暗物质粒子在实验室里被找到，将对粒子物理学开启全新的一个章节。有可能向量子力学和相对论一样完全改变我们对物理世界的认识！
人类对基本物理规律和宇宙的基本组分的认识一直推动着科学、技术的发展。这些研究促使了20世纪初期相对论和量子力学的诞生，也开创了原子分子、原子核和粒子物理这些学科。历史证明，基础研究不仅仅拓宽了人类对世界的认识，也会在若干年后产生深远的经济和社会价值。暗物质是21世纪的物理学面临的难题，理解暗物质的粒子本质有可能对整个科学界产生革命性的影响。
【注释】
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter.
[2]AMS实验官网，http://ams.nasa.gov./.
[3]ATLAS实验官网，http://www.atlas.ch/photos/full-detector-photos.html.
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
