暗物质究竟是什么？目前有3种探测暗物质方法

科普中国头条推送 2017-12-18

　　或许你不清楚暗物质究竟是什么？暗物质是21世纪物理与天文学研究中最为重要的研究之一。有相当的迹象表明，暗物质可能是具有一种“弱相互作用的重粒子”。我们可以从天上（卫星和气球），地面（大型粒子加速器），和地下（直接探测器）来探测和研究这种超出粒子物理标准模型的新粒子。视频讲解：范一中，悟空号科学团队负责人人们对暗物质的研究已经有相当长的时间。20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；而同期瑞士天文学家扎维奇发表的结果更惊世骇俗，他认为在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。

　　引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用是人类到目前为止所了解最基本的四种相互作用。那么暗物质和这四种相互作用有什么关系呢？

　　引力让星系结团，让地球绕着太阳旋转而不至于飞走，将我们束缚在地球上。电磁相互作用在我们的日常世界中的角色至关重要，它将原子、分子等束缚在一起，构成了丰富多彩的常规物质世界，而我们日常常见的压力、摩擦力等都是电磁相互作用的具体表现。强相互作用让质子和中子组成各式各样的原子核，形成不同的元素。弱相互作用则发生在原子核反应当中，让某种类型的原子核变成其它类型的原子核，它也是太阳能够在几十亿年的时间内持续发光发热的原因。日常所见的由原子构成的物质都会参与电磁相互作用，然而，当代天体物理及宇宙学提供了越来越多的暗物质——即一种不参与电磁相互作用，从而不发射光也不吸收光的物质——存在的证据。例如，天文学家研究了大量的漩涡星系的旋转曲线，即这些星系里面的恒星绕星系中心旋转的速度和它们与星系中心的距离的关系。在同等距离下，恒星转得越快，那么星系质量越大。测量结果表明这些星系的质量远远大于里面的明亮物质（即恒星加上星际气体等）的质量。一个星系里面有大量的物质是看不到的！更加决定性的暗物质的证据来自宇宙学。在宇宙尺度上，科学家发现只有暗物质主导的平坦宇宙理论才能解释观测到的宇宙微波背景辐射的分布。2013年，欧洲航天局的Planck项目发表了迄今为止最精确的微波背景辐射数据，并给出了宇宙里面的暗物质占宇宙的总质量密度的26.8%。与之对照的是普通物质仅仅占宇宙的总质量密度的4.9%——我们已知的宇宙仅仅是这个宇宙当中的一小部分！视频讲解：祖颖，上海交通大学天文系暗物质的本质是什么？既然我们知道了暗物质在宇宙里面占据了这么大的比例，那么我们就想要知道暗物质的本质是什么。然而到目前为止，唯一可以明确的一点就：暗物质是无法用任何已知的基本粒子来解释。一种最为流行的猜想认为暗物质是一种参与弱相互作用的大质量粒子，即所谓的WIMP（Weakly Interactive Massive Particle）。而在超出标准模型的理论当中，最被人看好的超对称理论也给出了WIMP的候选粒子，也就是说，WIMP是一种最有可能的暗物质候选粒子。更为重要的是，由于它参与弱相互作用，这表明如果其存在，是可以通过它和普通物质之间的相互作用来寻找其踪迹的。目前所有的暗物质直接探测实验的主要目标都是试图找到这种传说中的WIMP粒子。如何寻找暗物质？那么，到哪里去寻找暗物质呢？天体物理的证据表明暗物质在银河系里面普遍存在。按照目前的主流观点，银河系的银盘就嵌在一个球形的暗物质“晕”当中，这个晕的质量占了银河系总质量的95%以上。地球则和太阳一起，在这个暗物质的晕当中穿行。无时不刻，大量的暗物质就像暴雨一样打在我们身上。换句话说，在地球上就能找到暗物质！暗物质不参与电磁相互作用，这意味着无法使用任何波段的光来观测它，也就是说，我们在地球上无法通过常规手段“看”到暗物质。幸运的是，传说中的WIMP粒子参与弱相互作用，它们如果存在的话，能够和原子核里面的夸克发生碰撞，从而把一部分动能转递给原子核。这些能量又可能转化为热、光、或者电离信号，从而被探测器捕捉到。寻找暗物质的方法有点像守株待兔。科学家用纯净的材料制作出一个大型的靶子，在微观上，这个大型的靶子就像一系列的树桩，暗物质WIMP从靶子中间穿过时，可能撞在“树桩”上，从而产生信号，布置在靶子周围的探测器会把这个碰撞给“拍摄”下来，就像公路上拍摄超速的摄像头一样。当然，发生碰撞的不仅仅是暗物质，其它的放射性本底也会发生碰撞。接下来，科学家就要借助计算机的帮助，把真正属于暗物质的碰撞给挑出来。但这事有相当的难度。实际的计算表明，预言中的暗物质粒子和原子核发生碰撞的概率极其微小。按照目前的天文学数据进行估算的话，每秒钟穿过一个人的身体的暗物质粒子有上亿个，但是在一天之内，发生的碰撞平均还不到一次！与此同时，来自地球外部的宇宙射线（主要是带电的μ子）会穿过我们，环境中的放射性元素放出的各种放射线也会穿过我们，这些放射线每天会和我们身体内的原子发生的碰撞也超过一亿次！两相对比，在上亿次的碰撞中挑出不到一次的暗物质碰撞信号，看上去是一个不可能的任务。物理学家采取了一系列的办法来减少来自宇宙射线和环境辐射的干扰。其中最重要的一种方法是将实验装置放到地底，让岩石和泥土去阻挡宇宙射线。根据计算，每相当于1000米等效水深的物质，能够让宇宙线的强度降低到1/10。因此，将探测器放得越深，对宇宙射线本底的防护就越好。世界上最深的地下实验室：PandaX实验PandaX实验位于四川凉山州锦屏山的中国锦屏地下实验室——中国首个也是世界上最深的地下实验室，其上方有2400米厚的岩石覆盖。测量表明这里面的宇宙线强度大概为每年每平方米有62个μ子穿过，仅相当于地平面的百万分之一，其等效水深相当于6700米，从而提供了良好的宇宙射线屏蔽。此外，就要想办法来屏蔽实验室环境中的各种辐射了。岩石中的铀、钍等放射性元素和它们的衰变产物会产生α粒子、电子、中子和伽马光子等放射线。物理学家使用高纯度无氧铜、铅、聚乙烯等物质来建造大型的屏蔽体，把绝大部分的环境放射性都阻挡在外面。此外，实验中通常使用干燥的氮气吹到屏蔽体的内部，以降低从屏蔽体释放出的放射性氡气的浓度。通过这些办法，物理学家将宇宙射线和环境的本底信号控制在了可以接受的范围之内。实验里面主要的本底信号就来自探测器和屏蔽体自身了。值得指出的是，探测器所获得的仅仅是碰撞信号，而不能确凿无疑的告诉我们是什么粒子发生了碰撞。暗物质信号和中子造成的本底是没有办法进行区分的，一小部分来自伽马光子本底的碰撞的信号也可能具有暗物质碰撞信号的特征。科学家唯一能做的就是利用大规模的计算机模拟把这些本底理解清楚，了解在探测器运行过程中本底可能产生多少碰撞事例。PandaX实验在整个一期的81天运行过程中，总共记录了超过二千四百万的碰撞事例，通过仔细的筛选和分析之后，最后在感兴趣的区间内只找到了7个事例。模拟结果表明，PandaX经过这么长时间的运行，其中预期有6.9个本底事例。这意味着我们没有观察到明显超过预期本底的碰撞事例，换句话说，没有找到WIMP。现有的实验没有找到WIMP并非说明其不存在，而是表明，如果其存在，它与物质的相互作用比预期的更加弱。至少在目前为止，暗物质还有很大的生存空间。我们需要更大的靶子，运行更长的时间，以找到或者否认其存在。即将运行的PandaX二期实验就将执行这样一项任务。倘若他们出生的早些，恐怕要被当成异端邪说送上火刑架。然而，自20世纪70年代以来，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，暗物质的存在理论才终于被广泛认同。视频讲解：刘江来，上海交通大学物理学系教授、PandaX暗物质实验第二负责人