试听180秒XXXIII：我们如何寻找暗物质？

引言：作为被认为除了引力作用之外不与任何物质发生相互作用的暗物质，如今的科学界到底尝试了哪些方法去捕捉他们？进展又如何呢？

知识点I：直接探测法

暗物质只有质量和引力，没有电磁作用，没有强作用力，穿透力极强，仅有极小极小的概率与常规物质发生反应。暗物质粒子（主要是大质量弱相互作用粒子WIMP）虽然质量很大，但是它们只和探测器中的原子核碰撞，产生非常微弱的闪光现象。现在常用的探测器是碘化纳、锗、液氙等有较大原子核的物质。对于一个100kg的探测器，每天有大概2千亿个暗物质粒子穿过，可是和探测器内的原子核发生碰撞的不会超过10个。如果这个探测器位于地面，每天会遭遇许许多多宇宙射线粒子的轰击，发生多达一百万次反应。所以为了屏蔽宇宙射线，降低干扰，必须要将探测器深埋在地下尽可能深的地方，同时还需要进行特殊处理屏蔽外界的光子、中子等。

位于我国四川西昌地区锦屏山深处粒子和天体物理氙探测器（缩写PANDAX，又称“熊猫计划”）含有500kg液氙，位于2500米厚的大理岩层以下，是当前世界上最深的地下实验室，也当今世界上条件最好的地下暗物质粒子探测实验室。

知识点II：间接观测法

间接观测法，又叫空间探测方法。暗物质粒子之间会发生湮灭而产生高能辐射，如伽马射线、高能正电子、反质子以及高能中微子等看得见的普通粒子，根据探测到的“多余”的以上粒子来反推看不见的暗物质粒子。我们的暗物质粒子探测卫星“悟空”进行的就是这种探测。间接探测法的难度同样非常大，原因是暗物质的湮灭率正比于暗物质密度的平方，而暗物质湮灭主要发生在星系、星系团中心或者星体内部等暗物质密度非常高的地方。其次暗物质的间接探测涉及到许多复杂的环节，比如需要知道暗物质的分布情况、暗物质间湮灭截面的大小以及来自非暗物质湮灭过程的背景的大小和性质。对于这些问题一方面我们并没有完全搞明白，另一方面暗物质湮灭过程相对于正常物质产生的信号是非常微弱和稀少的，想要甄别出来并不容易。

知识点III：空间探测器成果

阿尔法磁谱仪

由美籍华裔诺贝尔物理学奖获得者丁肇中先生领衔的项目，中国制造了阿尔法磁谱仪的核心部件——永磁体，它擅长区分电子、正电子、质子、反质子、光子等基本粒子，暗物质和反物质都能测量。2011年，它被“奋进”号航天飞机安装到国际空间站上后迄今已收集到410亿条宇宙射线数据，捕捉到1000多万个电子和正电子，总数据量超过556TB，并绘制出高能电子宇宙线能谱（粒子数量随粒子能量的分布曲线）。

2015年4月3日，丁肇中团队发布相关报告，阿尔法磁谱仪发现在0.5GeV（5亿电子伏特）-10GeV（100亿电子伏特）区间内，正电子占正电子和电子总和的比例随能量的增加而减少；10GeV-500GeV区间内，比例递增；500GeV后，比例曲线基本变平。不过还没有测到能谱骤降的情况。（图中绿色线条）

丁肇中解释如果有暗物质存在，正电子能谱会有6个明显的特征：1.随着粒子的能量不断提高，经过一个点后，正电子的能量逐渐增加；2.经过某个点后增加的速率，符合特定的非线性关系；3.在能量得到某一个量级之后，正电子的数目不断下降；4.下降速率满足特定的非线性关系；5.在某个点上，数量还会增长，到达一个拐点后会突然下降，出现一个山峰状的图线；6.粒子来自四面八方，而非来自一个源。从丁肇中先生公布的数据来看，6个特种中有5个已经出现，这些特征都支持正电子来源于暗物质，唯独那个拐点尚未出现。

“悟空”

在2015年12月27日至2017年6月8日在轨运行的530天里共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线（CREs）。基于这些数据，科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。首先，“悟空”观测的数据覆盖了从55GeV到2.63TeV的高能电子能量范围；其次测量到的1万亿电子伏特（TeV）电子的“纯净”程度最高（其中混入的质子数量最少）。第三，最关键的，在0.9TeV的地方有个明显的“下降行为”，可能就是丁肇中所说的第6个特征。第四，在1.4TeV处一个异常的“尖峰”。但这个能谱是哪种粒子以何种机制形成的呢？是暗物质湮灭或衰变产生还是正常物质湮灭产生？目前还不得而知。

知识点IV：加速器探测法

依据理论，在地面加速器上将粒子加速到极高能段，让他们相互碰撞，打出新粒子，以期“创造”暗物质粒子。欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大的强子对撞机，目标是将两个反向回旋的质子束流进行对撞，创造最高达14万亿电子伏特的总能量。对照宇宙大爆炸理论，大型强子对撞机的对撞试验可望创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时状态，这种极高的碰撞能量会产生异常粒子，包括暗物质粒子。但是至今所有的加速器实验还没有发现暗物质粒子的迹象。