[科普中国]-探测暗物质，这三种方法可以有！-

虽然每秒钟，都有几百个暗物质粒子穿过我们的身体，但因为暗物质不进行电磁相互作用，我们的大部分探测设备都无法探测到它的存在，所以这种看不见的物质探测起来十分困难。当然，科学家们的目前探测暗物质的主要方法可以被分为三种：加速器探测、间接探测和直接探测。

加速器探测实验

第一种是在地面加速器上通过加速粒子到极高能段并互相碰撞，打出新粒子，将暗物质粒子“创造”出来，并研究其物理特性。

欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大的强子对撞机，它的设计目标是将两个反向回旋的质子束流进行对撞，质子束流的总能量最高达14万亿电子伏特。最新运行能量达到设计能量的一半，7万亿电子伏特，这也是迄今最高能量的质子束流对撞试验。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。借助对撞试验，有希望发现暗物质粒子的存在证据。但要在加速器上进行暗物质实验，需要很高的能量。至今所有的加速器（包括欧洲大型强子对撞机）实验还没有发现暗物质粒子的迹象。所以取得突破必须要能量更高的加速器。由于加速器的巨大规模、技术复杂度以及高昂的造价，这种加速器在全球也只有个别设施。

目前世界上最大的强子对撞机——欧洲大型强子对撞机。图片来源：CERN

地下直接探测实验

第二种方法是直接探测法。该方法直接探测来自宇宙空间的暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小，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，因此这类技术路线也被人们统称为地下探测。暗物质直接探测实验是在目前寻找暗物质粒子的各类实验手法中采用得最多的一种探测方式，其中比较活跃的实验有美国的CDMS、意大利等国的DAMA等。

中意合作DAMA实验直接观测暗物质粒子与原子核作用后产生的反冲原子核能谱。他们宣称发现了一个时间调制现象，因为地球绕太阳公转，使得地球与暗物质粒子的相对速度随季节变化，在每年的6月份可能通过一个较高的暗物质粒子流强，而在每年的12月份可能通过一个较低的暗物质粒子流强。问题是该结果并没有被其他实验所证明，许多人怀疑该结果有可能是一个系统误差，来自于探测器的温度，由于湿度效应或者是地球大气热胀冷缩现象导致了宇宙线次级粒子涨落。2008年，中意合作课题组（DAMA/LIBRA）宣布他们的地下实验证实了以前的周期性变化现象。

空间间接探测实验——AMS-02在国际空间站吊装图片来源：NASA

地下直接探测实验——DAMA/LIBRA实验

2009年12月18日，美国CDMS地下实验项目组宣布发现2个可能与暗物质粒子有关的事件，但可信度只有75%。CDMS所用的探测器被埋在明尼苏达深达766码（700米）的地下，周围的岩石、塑料、铅、铜和其他物质被用来阻止除暗物质之外的其它宇宙粒子到达探测器，这样可能就降低了产生信号的背景。探测器本身不大，跟冰球相仿，主要由锗元素和硅元素构成。如果锗原子或硅原子的一个原子核被暗物质粒子碰到，它就会反弹并给探测器发出一个信号。要确信是暗物质，两个信号还是太少了，因为经过计算得知其中的一个信号事件来自于背景噪声。CDMS研究小组打算将他们的探测器升级到更为灵敏的水平，以期待发现更为实质性的暗物质信号。

目前大约有几十个科学小组在期待通过实验发现暗物质接近普通物质原子的那一刻，其中美国南达科他州Sanford地下研究设施的大型地下氙探测器实验（LUX）的灵敏度是最高的，LUX探测器位于一座废弃金矿地下4580英尺（约合1400米），内装大约1/3吨的液态氙。2013年11月，LUX团队研究人员宣布，他们在实验中没有发现轻量级暗物质粒子的迹象。在地下实验上，暗物质看来比很多人以前所认为的更难被发现。

空间间接探测实验

第三种办法称为暗物质的间接探测法。间接法观测暗物质粒子在宇宙空间发生湮灭或衰变之后产生的稳定粒子如伽玛射线，正电子，反质子，中微子等。根据目前的理论模型，暗物质粒子衰变或相互作用后可能会产生稳定的高能粒子，如果我们能够精确测量这些粒子的能谱，可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。

参与空间探测实验的包括ATIC南极气球实验，PAMELA空间探测器和FERMI伽玛射线望远镜等。而最新的空间间接探测试验结果主要来自于诺贝尔奖获得者、物理学家丁肇中主持的AMS项目中重达七吨的宇宙射线探测器——阿尔法磁谱仪2号 (AMS-02)。

空间间接探测实验——AMS-02在国际空间站吊装图片来源：NASA

空间间接探测实验——AMS-02在国际空间站吊装图片来源：NASA

（1）伽玛射线观测结果

在早期的高能伽玛射线观测中，EGRET发现银心伽玛射线在GeV处观测流量比理论模型高40%左右。有人认为该“超”可能与暗物质有关。但更多的人认为该“超”更可能是宇宙射线问题，与暗物质无关。

空间间接探测实验——FERMI伽玛射线空间望远镜

2009年FERMI卫星上天后证实该“超”并不存在。 2010年FERMI公布卫星上天一年的伽玛射线观测数据，没有探测到与暗物质粒子有关的任何明显信号。

（2）电子和正电子观测结果

2008年以中美科学家为主的ATIC探测器发表了宇宙高能电子观测结果。ATIC发现高能电子流量在300-800GeV能区间与理论模型相比高了将近3倍。该结果在低能部分被欧洲的PAMELA正电子实验证认。这些“超”可以被解释为暗物质粒子湮灭或衰变的产物。当然，目前的观测结果还不够精确，还不能排除附近天体的贡献。

ATIC结果表明电子的观测科学意义重大，许多原初观测目的不是电子的探测器都开始进行电子测量。2009年5月FERMI伽玛射线望远镜FERMI公布了其半年的电子观测数据，部分证实了ATIC发现的宇宙射线超出现象。地面最大伽玛射线望远镜HESS的观测结果表明，高能电子能谱在TeV附近存在拐点，这与ATIC发现的现象类似。

目前的观测结果表明，ATIC，PAMELA，FERMI，HESS几个探测器的观测数据与理论模型相比都存在“超”，但“超”的具体形态存在一些差别。由于ATIC，FERMI，HESS这三个探测器本来都不是专门设计来观测电子的。在电子观测方面都存在弱点。ATIC是气球观测，由于其飞行高度相对较低，无法扣除宇宙射线与大气产生的本底。另外，探测器的有效面积很小，受到气球飞行时间所限制的观测时间也很短，统计精度不高。FERMI的主要目的是伽玛射线天文，由于量能器厚度不够包含整个电磁级联蔟射，能量分辨本领很差。HESS是地面测量，本底抑制和能量分辨是其主要弱点，系统误差很大。

2014年6月9日，欧洲核子研究中心巨型AMS粒子探测器团队的科学家发布了关于AMS发现的最新公告，第一批数据证实了大约40万个正电子的信息，推测可能来自暗物质粒子湮灭。报告中披露，安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）已经检测到暗物质湮灭的“痕迹”。作为AMS的首席科学家，丁肇中认为需要更多的数据进行研究，在未来几个月内，AMS的数据将告诉我们这些突然出现的正电子信号是否与暗物质有关，目前还不能排除它们是由一些其他宇宙源产生的可能性。

（3）反质子观测结果

宇宙中的反质子主要产生于宇宙射线作用后的次级产物，所以通过测量反质子能谱可以寻找到暗物质粒子存在的证据。PAMELA上天3年的观测数据表明，反质子能谱基本与宇宙线次级能谱吻合很好，没有探测到异常特征。而来自AMS-02的最新反质子比例数据，疑似存在超出。

综上所述：现有的加速器实验还没有给出明确结果；地下实验也没有给出确定的结果，但CDMS探测到2个事件，DAMA/LIBRA探测到的年调制现象没有得到更灵敏的XENON100和LUX实验的确认；空间实验ATIC和PAMELA两个实验中电子的能谱测量结果，都表明在几十到数百GeV的能段内，所测的能谱较传统模型有着显著的超出，同时PAMELA正电子实验证明了该异常的存在，但相关的反质子测量实验中并没有发现异常。要解释这两个现象，必须对暗物质粒子模型提出特殊的要求。在上述3类主要途径中，空间探测是突破迹象最明显的，我国的科学思想和探测方法在这个突破中其中起到了主导作用。当然，目前的观测结果由于精度不够，下结论还早需要新的实验。