暗物質(zhì)粒子

暗物質(zhì)是天文學(xué)家觀測宇宙時發(fā)現(xiàn)的一種“暗”的物質(zhì)。所謂“暗”的物質(zhì)是指沒有觀測到這種物質(zhì)任何的電磁輻射。我們知道，天文學(xué)家觀測宇宙所通過的媒介是不同波段的電磁波，如圖1所示，根據(jù)波長的不同，電磁波從波長最長的無線電波、微波、紅外線、可見光到波長比較短的紫外線、X射線和能量最高的γ射線?，F(xiàn)代的天文觀測儀器發(fā)展迅速，在各個波段都有非常強有力的觀測儀器，然而，所有這些強大的天文儀器都沒有觀測到暗物質(zhì)所發(fā)射的電磁輻射，故而被稱作暗物質(zhì)。

圖1.不同波長的電磁波輻射

那么暗物質(zhì)又是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？我們可以從太陽系中海王星的發(fā)現(xiàn)歷史得到很多啟發(fā)，從而更好理解暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。自從牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律以來，天文學(xué)家成功地解釋了大部分行星的運行軌道，如圖2所示。然而，對天王星運行軌跡卻不能得到令人滿意的解釋，它的運動規(guī)律和萬有引力的預(yù)言有著明顯的差異。法國天文學(xué)家勒維耶和英國天文學(xué)家亞當(dāng)斯猜測太陽系中應(yīng)該還存在一顆當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)的行星，這顆行星的引力使得天王星的運動偏離了原來預(yù)期的軌道。根據(jù)他們的預(yù)言，伽勒在1846年發(fā)現(xiàn)了這顆行星，即海王星。這個故事就非常像今天的暗物質(zhì)，雖然我們沒有觀測到暗物質(zhì)的任何電磁輻射，但我們卻觀測到了暗物質(zhì)的引力對于其他可見物質(zhì)運動的影響，這就是天文學(xué)家推斷宇宙中存在暗物質(zhì)的理由。

圖2.太陽系的行星結(jié)構(gòu)

首先以太陽的運行為例。如圖3所示，太陽到銀河系中心的距離是2.8萬光年，而繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)一周所需的時間是2.3億年。我們知道，要把太陽固定在這樣的圓周運動的軌道上所需向心力和物質(zhì)提供的引力相等。通過簡單的計算就可以得到，產(chǎn)生這樣的向心力需要太陽軌道內(nèi)包含大約1011MSun(太陽質(zhì)量)的物質(zhì)，而可以觀測到的恒星和氣體的質(zhì)量只有大約幾倍的109MSun。顯然，還有更多的不可見的物質(zhì)貢獻(xiàn)了更強的引力，這個推斷和當(dāng)初推斷天王星之外還存在著海王星的道理是一樣的。如果不存在暗物質(zhì)，那么向心吸引力就要弱很多，太陽的旋轉(zhuǎn)速度也要相應(yīng)小很多。

圖3.太陽繞銀河系運動的參數(shù)

圖4.M33的旋轉(zhuǎn)曲線

圖4所示是一個稱作M33的星系中恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度隨著到星系中心距離的分布，上邊的曲線是觀測到的速度，而下邊的曲線是根據(jù)觀測的可見物質(zhì)預(yù)計的速度分布。我們看到，兩者有著明顯的差別，實際測量的結(jié)果要遠(yuǎn)大于計算結(jié)果，這表明還有不可見的物質(zhì)增大了引力，這是天文學(xué)家推測暗物質(zhì)存在最直接的觀測證據(jù)。根據(jù)不同距離處旋轉(zhuǎn)速度的大小可以推算暗物質(zhì)的分布，因而我們可以得到如圖5所示的銀河系中的物質(zhì)分布圖。從圖5可見，我們銀河系的恒星大部分分布在一個很小的盤狀結(jié)構(gòu)中，這就是我們熟悉的銀盤。在銀盤外邊包圍著巨大的暗物質(zhì)構(gòu)成的球狀的結(jié)構(gòu)，稱作暗物質(zhì)“暈”。

圖5.銀河系的物質(zhì)分布：普通恒星分布在盤狀結(jié)構(gòu)上，而暗物質(zhì)則形成一個巨大的幾乎球?qū)ΨQ的暈狀結(jié)構(gòu)，稱作暗物質(zhì)暈。

以上所介紹的是通過星系中恒星的旋轉(zhuǎn)速度判斷暗物質(zhì)的存在，是暗物質(zhì)存在最直接的觀測證據(jù)。其他天文觀測還有許許多多，無不證實了宇宙中暗物質(zhì)的存在，比如星系團中熱氣體的分布、星系團所造成的引力透鏡效應(yīng)、宇宙中微波背景的觀測等均在更大的尺度上證實了暗物質(zhì)的存在。今天，天文學(xué)家建立了一個“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”，這個模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)和5%的普通物質(zhì)組成，可以成功解釋幾乎到目前為止所有的宇宙學(xué)觀測現(xiàn)象，可以說是當(dāng)前人類對宇宙的最新認(rèn)識。

盡管大量的天文觀測已經(jīng)證實了暗物質(zhì)的存在，但是，與發(fā)現(xiàn)海王星的過程不同的是，經(jīng)過多年的各種努力嘗試后我們?nèi)匀粵]有直接觀測到暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)究竟是一種什么樣的物質(zhì)呢？一般認(rèn)為暗物質(zhì)應(yīng)該是由一種全新的粒子構(gòu)成，它不同于我們已經(jīng)了解的任何一種組成我們周圍物質(zhì)的粒子，目前我們所知道的它是穩(wěn)定的、不帶電的、運動速度很慢的粒子。然而，其具體的性質(zhì)如何，比如其質(zhì)量大小，其相互作用的性質(zhì)等都無法確定。

物理學(xué)家也提出了許許多多的暗物質(zhì)模型來解釋暗物質(zhì)的現(xiàn)象，然而，由于沒有暗物質(zhì)觀測的直接數(shù)據(jù)，因而，不同的暗物質(zhì)模型中暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)相差非常大。在這許許多多的暗物質(zhì)模型中，有一種被稱為是“弱作用重粒子”的暗物質(zhì)模型是目前研究最多的。這類模型的出發(fā)點是解釋“暗物質(zhì)在宇宙中如何產(chǎn)生”這個問題，這一模型認(rèn)為暗物質(zhì)應(yīng)該和普通物質(zhì)一樣是在宇宙的極早期由高溫高密的物質(zhì)狀態(tài)中產(chǎn)生出來的，這就和普通物質(zhì)的產(chǎn)生是相同的過程。如果這一假設(shè)成立，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)暗物質(zhì)質(zhì)量和相互作用強度和我們已經(jīng)了解的弱作用類似，那么其在宇宙中所產(chǎn)生的密度就和今天我們觀測到的密度相一致。由于這類模型能夠解釋我們觀測到的暗物質(zhì)在宇宙中的豐度，因而受到了極大的關(guān)注。目前大部分暗物質(zhì)探測實驗所要尋找的對象就是這種“弱作用重粒子”的暗物質(zhì)。

當(dāng)前探測暗物質(zhì)主要包括三類實驗方案，如圖6所示。要探測暗物質(zhì)粒子就需要探測到暗物質(zhì)粒子和普通粒子的相互作用，只有通過對探測信號的分析才能了解圖6中“未知相互作用”是什么樣的。這種相互作用體現(xiàn)在三個方向上，從下向上，就是通過把普通粒子加速到很高的能量對撞產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子，這就是對撞機探測，比如在歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)上進行的暗物質(zhì)尋找就是這種探測方式。橫向的方向表示一個暗物質(zhì)粒子和普通粒子發(fā)生彈性散射，通過探測這種散射產(chǎn)生的信號尋找暗物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)的直接探測。從上向下的方向代表著兩個暗物質(zhì)粒子碰撞并湮滅而產(chǎn)生一對普通粒子，通過尋找這樣的湮滅產(chǎn)物尋找暗物質(zhì)粒子被稱為暗物質(zhì)的間接探測。

圖6.暗物質(zhì)的三種探測方式

暗物質(zhì)的直接探測就是尋找當(dāng)暗物質(zhì)粒子打到探測器后所留下來的信號，通常這個信號非常的微弱，而宇宙線的噪聲信號要遠(yuǎn)大于暗物質(zhì)的散射信號。因而，為了探測到這樣微弱的信號，需要把探測器放在很深的地下實驗室以把宇宙線噪聲屏蔽掉。圖7顯示的是世界上地下實驗室的分布以及每個實驗室中所開展的暗物質(zhì)直接探測實驗。我國的四川錦屏地下實驗室于2010年建成，是目前最深的因而也是宇宙線噪聲最小的地下實驗室，非常適于暗物質(zhì)探測實驗的開展，目前有兩個直接探測實驗正在錦屏地下實驗室進行。不過，盡管直接探測實驗已經(jīng)開展了大約30年的時間，實驗靈敏度有了巨大的提高，但是到目前為止，還是沒有發(fā)現(xiàn)令人信服的暗物質(zhì)散射的信號。

圖7.世界上的地下實驗室分布和相應(yīng)實驗室開展的直接探測實驗

圖8.暗物質(zhì)間接探測示意圖

暗物質(zhì)的間接探測的原理如圖8所示，即兩個暗物質(zhì)粒子碰撞后會發(fā)生“湮滅”而變成我們熟悉的夸克、輕子等粒子。這些不穩(wěn)定的粒子會迅速衰變而成為穩(wěn)定粒子，如正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子、光子等。間接探測即是通過尋找宇宙線中的這些信號來尋找暗物質(zhì)。間接探測實驗通常在地面和空間進行，地面的實驗適合探測暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的γ射線信號和中微子信號，但帶電粒子會和大氣很快發(fā)生反應(yīng)，所以地面實驗不是特別適合探測帶電粒子信號。通常為了得到更加干凈的暗物質(zhì)湮滅信號，需要在空間開展實驗，包括衛(wèi)星實驗和在空間站開展的實驗。目前正在進行的空間實驗有如下幾個。Fermi衛(wèi)星是美國發(fā)射的γ射線探測衛(wèi)星，用來尋找暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的γ射線信號。Fermi衛(wèi)星2008年發(fā)射，至今已經(jīng)運行了近10年，取得了大量的科研成果。然而，它卻沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)湮滅的信號，因而，給暗物質(zhì)性質(zhì)設(shè)置了非常嚴(yán)格的限制。另外兩個實驗PAMELA衛(wèi)星實驗和AMS-02國際空間站實驗（圖9）都帶有磁場，因而能夠測量帶電粒子的電荷。它們主要是測量宇宙線中的反粒子，如正電子、反質(zhì)子等，以尋找暗物質(zhì)信號。最后一個是我國在2015年發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”，它主要是通過探測暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的電子來尋找暗物質(zhì)信號。

圖9.幾個空間的暗物質(zhì)探測實驗：AMS-02空間站實驗、Fermi衛(wèi)星、“悟空”衛(wèi)星

近年來在暗物質(zhì)探測方面一個重要的進展就是發(fā)現(xiàn)了宇宙線中存在正電子超出。PAMELA衛(wèi)星在2008年發(fā)現(xiàn)宇宙線中正電子比通常宇宙線物理所預(yù)期的流量高出了許多，這多出來的正電子讓科學(xué)家非常興奮，認(rèn)為有可能就是人們長期夢寐以求的暗物質(zhì)信號。研究表明，暗物質(zhì)湮滅的確可以完美解釋這些多出來的正電子。但不幸的是，暗物質(zhì)卻不是唯一的解釋。天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系中存在一種稱為脈沖星的天體，它是高速旋轉(zhuǎn)的中子星。這種天體可以加速產(chǎn)生高能量的正負(fù)電子對并輻射到銀河系空間，這類信號如果傳播到地球上，就可以解釋實驗所觀測到的多余正電子信號。AMS-02是由著名的華裔物理學(xué)家丁肇中教授所領(lǐng)導(dǎo)，安裝在國際空間站上的大型實驗裝置。它更加精確地測量了宇宙線中正負(fù)電子的能譜，不但證實了PAMELA的觀測，還在更大的能量范圍和更高的精度上擴展了這一結(jié)論。但是，即使是AMS-02的結(jié)果也無法確認(rèn)正電子的來源到底是暗物質(zhì)還是脈沖星。圖10中不同的曲線代表了不同來源的正電子，我們發(fā)現(xiàn)這些曲線都能夠解釋圖中的AMS-02的數(shù)據(jù)點。要解決這個問題需要更大的探測器才可能完成。此外，AMS-02最近發(fā)表了反質(zhì)子的測量結(jié)果，這個測量結(jié)果似乎在最高能量的地方和宇宙線的理論預(yù)期不符，即需要額外的反質(zhì)子來源。如果這一結(jié)果將來被證實，這極有可能是暗物質(zhì)湮滅的信號。但目前的實驗數(shù)據(jù)仍然不足以確認(rèn)這一結(jié)果。

圖10.AMS-02觀測的宇宙線中正電子所占比例（點）和不同的理論模型解釋（圖中的實線）

我國的“悟空”衛(wèi)星就是希望能夠在更高的能量范圍內(nèi)測量宇宙線電子的能譜(由于“悟空”探測器不帶磁場，因而無法區(qū)分正負(fù)電荷，它測量的實際是電子和正電子加起來的能譜，我們統(tǒng)稱為電子能譜)，從而可以幫助研究宇宙線超出的正電子的來源。“悟空”的第一個實驗結(jié)果在2017年底發(fā)表（圖11），這個結(jié)果是第一次通過空間直接探測，把宇宙線電子的能量測量到4.6TeV，并發(fā)現(xiàn)了能譜的“拐折”的結(jié)構(gòu)，但是，這些還是不足以確認(rèn)是否存在暗物質(zhì)。尋找暗物質(zhì)可能需要在更高能量及更高精度上進行研究。我國空間站的未來宇宙線實驗HERD將可能在這方面取得重要的突破，為暗物質(zhì)尋找提供更多的線索。

圖11.“悟空”的觀測結(jié)果---高能電子能譜

總之，暗物質(zhì)問題是當(dāng)前基礎(chǔ)物理學(xué)研究中一個至關(guān)重要的問題，科學(xué)家為解決這一問題做出了不懈的努力。然而，這些探尋暗物質(zhì)的工作，盡管取得了巨大的進步，獲得了多方面的科研成果，卻仍然沒有找到確定的暗物質(zhì)信號，暗物質(zhì)之謎將繼續(xù)存在并依然困擾著人們。可喜的是，我國科學(xué)家在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但已經(jīng)取得了國際領(lǐng)先的成果，在不同暗物質(zhì)探測方向上都顯示了極強的競爭力。

作者系中國科學(xué)院高能物理研究所研究員

來源：《現(xiàn)代物理知識》