捕捉暗物质粒子

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Rui Jujiao

董铁矿(中国科学院紫金山天文台副研究员)雷仕俊(中国科学院紫金山天文台助理研究员)

暗物质可能是这个宇宙中最扑朔迷离的事物，科学家隐隐约约觉得它应该存在，却从没看到过它的踪迹。尽管看不见摸不着，但为了捕捉到暗物质的身影，科学家正在穷尽一切可能。

现代物理学把物质之间的相互作用，按作用强度从强到弱分为四种：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。暗物质的属性表明它们不参与强相互作用和电磁相互作用，只参与引力相互作用。那么它们是否参与弱相互作用呢？这个问题目前尚无答案。理论上，物理学家推测暗物质粒子最可能是一种被称为WIMP的粒子，它指的是弱相互14

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作用大质量粒子。这样的粒子通常很自然地出现在对粒子物理标准模型的延拓中，而且WIMP粒子还具有一个让很多物理学家青睐的属性，它可以自然地解释暗物质在宇宙中的丰度。而最让大家觉得鼓舞的一点是，WIMP粒子的弱相互作用属性提供给人们一个探测它们的机会。不过因为我们对WIMP粒子的质量和相互作用属性一无所知，让探测WIMP 粒子成了一件很具挑战性的事情。这相当于我们要下海捕鱼，但鱼儿在哪里我们却不知道。

为探测WIMP粒子，科学家琢磨出了三种方案：一是通过它与普通物

质可能的直接碰撞加以探测(直接探

测)；二是通过高能粒子对撞机制造

出暗物质粒子(对撞机探测)；三是寻

找暗物质粒子衰变或湮灭产生的宇

宙线信号(间接探测)。

直接探测法测量的是地球附近的

暗物质粒子和探测器之间的直接碰

撞。暗物质的属性决定了暗物质粒子

的探测一定是极其困难的，为了捕捉

到暗物质粒子，我们需要尽量排除干

扰，而最大的干扰来自于宇宙线。宇

宙线是高能量的普通粒子，它们会与

地球大气和地面物质发生强相互作用

和电磁相互作用，产生大量的次级粒

子。不过如果我们将探测器放在地球

深处的话，宇宙线会被厚厚的岩层吸

收掉，其数量会急剧减少。因此，直接

探测装置通常都被置于地下深处。但

WIMP粒子与常规物质之间发生相互作

用的概率非常低，绝大多数WIMP粒子

都会轻易穿过地球而不留下任何痕

迹。所以我们只能严阵以待，然后祈

祷吧，期望某个WIMP粒子会与探测器

中的某个原子核发生碰撞，使原子核

获得少量的能量，产生微小的反冲的

情况。原子核获得的反冲能量会积存

在探测器中形成可以探测的信号。目

前，国际上已有十余家暗物质直接探

测实验室，而我国在四川锦屏山隧道

中建设了世界上最深的深地实验室，

其中已有两个暗物质探测实验正在进

行中。

寻找超出标准模型的新物理粒

子，是费米实验室和大型强子对撞机

等大型粒子加速器的主要科学目标

之一，这其中也包括WIMP粒子。这

些大型加速器把两束粒子(质子或反

质子)加速到非常高的能量，最终在

磁场的作用下让它们改变轨道，在四

周布满探测器的地方发生对头碰

撞。粒子物理实验的经验告诉我们，

碰撞能够产生各种各样的粒子，能量

越高，产生的粒子质量也就越大。在

图1.暗物质探测方法。

2018年第9期

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已有的粒子表中没有暗物质粒子，因此它们有可能具有更大的质量。大型强子对撞机是目前能提供最高能量的加速器，其能量远远超过之前的任何一台加速器。在如此高的能量下，我们有可能制造出以前从未见过的质量更大的新粒子。通过仔细检查每次碰撞的产物，我们或许能找到新粒子存在的证据，而它或许就是我们苦苦追寻的暗物质粒子。但目前还未能发现有WIMP粒子的迹象。

除了上述两种方法以外，还有一种间接探测暗物质的方法，它们不是直接探测暗物质粒子本身，而是寻找暗物质粒子衰变或湮灭时产生的特征信号。在广袤的宇宙空间分布着大量的暗物质粒子，如果暗物质粒子密度足够高，一个WIMP粒子和它的反粒子就有机会相遇，一旦它们发生碰撞，就会同时消失并发出一系列包括伽马射线、电子、正电子、反质子等高能粒子。如果暗物质粒子的寿命

不是无限大，它们也会衰变为质量较

小的标准模型粒子。暗物质粒子衰

变或湮灭产生的粒子能量分布，与普

通物质经过天体物理过程产生的能

量分布具有不同的特征，寻找这样的

特征是间接探测暗物质的主要目

的。高能伽马射线作为一种非常可

能的暗物质粒子，其湮灭或衰变的产

物是暗物质间接探测的重要观测对

象。伽马射线不仅比较容易观测，而

且还记录了来源的方向。因此，研究

者探测各个能量段、各种特定方向上

(如银河系中心或矮星系中心等预期

暗物质密度高的地方)的伽马射线就

成了寻找暗物质的一个常见方法。

电子、正电子和反质子也是暗物质间

接探测的重点观测对象。例如在

PAMELA和AMS-02等实验中，研究者

发现在高能量段，正电子与负电子比

值出现增加的现象，与通常的天体物

理模型预期(图2中的灰色带子)不

符。WIMP暗物质粒子衰变或湮灭将

可以解释观测数据，但还不能完全排

除天体物理过程的贡献。而我国的

“悟空”号卫星也在正负电子总谱的

测量方面做出了领先世界的成果，但

在它的整个寿命期里所获得的数据

中，是否会包含有暗物质的信号还未

可知。

前文所介绍的方法都是针对

WIMP暗物质粒子假说而开展的搜寻

工作。然而，我们并不能保证暗物质

就一定是WIMP粒子，还存在其他可

能性，例如前文提到的轴子。因此也

很有必要针对另外的候选粒子开展

实验搜寻。轴子的探测方法主要是

通过测量它们和光子之间的转换，比

如在密闭实验室中加上强磁场探测

轴子转化后形成的光子，或者观测高

能伽马射线经过和轴子的转换后形

成的具有振荡结构的能谱。还有一

类暗物质粒子被称作“惰性中微子”，

这是一种温暗物质候选粒子。理论

上预期这种粒子会衰变产生一个普

通中微子和一个光子，光子的能谱是

单能线谱，具有很好的辨识度。预期

光子能量处于X射线波段，那么通过

探测这种单能X射线线谱将会是搜

寻惰性中微子的有效办法。

总之，暗物质粒子探测是一项既

迷人又富有挑战性的工作。许多国

家都为此投入了大量的人力和物

力。与此同时，关于它的理论研究也

出现了百家争鸣的景象。此外，探测

技术、计算机和数据处理方法也在快

速发展。我们有理由相信，21世纪

人们在暗物质粒子探测方面将取得

重大突破。

图2.正电子比例异常。16