上一篇推送我們給大家簡單介紹了神秘的“暗物質(zhì)”，可能大家現(xiàn)在對它的印象還是“一片黑暗”,，今天我們就來正經(jīng)科普一下“暗物質(zhì)”究竟是什么,。

引力相互作用、電磁相互作用,、強相互作用和弱相互作用是人類到目前為止所了解最基本的四種相互作用,。

那么暗物質(zhì)和這四種相互作用有什么關(guān)系呢？

引力讓星系結(jié)團,，讓地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)而不至于飛走,，將我們束縛在地球上。電磁相互作用在我們的日常世界中的角色至關(guān)重要,，它將原子,、分子等束縛在一起，構(gòu)成了豐富多彩的常規(guī)物質(zhì)世界,，而我們?nèi)粘３Ｒ姷膲毫?、摩擦力等都是電磁相互作用的具體表現(xiàn)。強相互作用讓質(zhì)子和中子組成各式各樣的原子核,，形成不同的元素,。弱相互作用則發(fā)生在原子核反應(yīng)當(dāng)中，讓某種類型的原子核變成其它類型的原子核,，它也是太陽能夠在幾十億年的時間內(nèi)持續(xù)發(fā)光發(fā)熱的原因,。

日常所見的由原子構(gòu)成的物質(zhì)都會參與電磁相互作用，然而,，當(dāng)代天體物理及宇宙學(xué)提供了越來越多的暗物質(zhì)——即一種不參與電磁相互作用,，從而不發(fā)射光也不吸收光的物質(zhì)——存在的證據(jù)。

例如,，天文學(xué)家研究了大量的漩渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線,，即這些星系里面的恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度和它們與星系中心的距離的關(guān)系。在同等距離下,，恒星轉(zhuǎn)得越快，那么星系質(zhì)量越大,。測量結(jié)果表明這些星系的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于里面的明亮物質(zhì)（即恒星加上星際氣體等）的質(zhì)量,。一個星系里面有大量的物質(zhì)是看不到的！

更加決定性的暗物質(zhì)的證據(jù)來自宇宙學(xué),。在宇宙尺度上,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)只有暗物質(zhì)主導(dǎo)的平坦宇宙理論才能解釋觀測到的宇宙微波背景輻射的分布。2013年，歐洲航天局的Planck項目發(fā)表了迄今為止最精確的微波背景輻射數(shù)據(jù),，并給出了宇宙里面的暗物質(zhì)占宇宙的總質(zhì)量密度的26.8%,。與之對照的是普通物質(zhì)僅僅占宇宙的總質(zhì)量密度的4.9%——我們已知的宇宙僅僅是這個宇宙當(dāng)中的一小部分！

既然我們知道了暗物質(zhì)在宇宙里面占據(jù)了這么大的比例,，那么我們就想要知道暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么,。然而到目前為止，唯一可以明確的一點就：暗物質(zhì)是無法用任何已知的基本粒子來解釋,。

一種最為流行的猜想認(rèn)為暗物質(zhì)是一種參與弱相互作用的大質(zhì)量粒子,，即所謂的WIMP（Weakly Interactive Massive Particle）。而在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論當(dāng)中,，最被人看好的超對稱理論也給出了WIMP的候選粒子,，也就是說，WIMP是一種最有可能的暗物質(zhì)候選粒子,。更為重要的是,，由于它參與弱相互作用，這表明如果其存在,，是可以通過它和普通物質(zhì)之間的相互作用來尋找其蹤跡的,。目前所有的暗物質(zhì)直接探測實驗的主要目標(biāo)都是試圖找到這種傳說中的WIMP粒子。

那么,，到哪里去尋找暗物質(zhì)呢,？天體物理的證據(jù)表明暗物質(zhì)在銀河系里面普遍存在。按照目前的主流觀點,，銀河系的銀盤就嵌在一個球形的暗物質(zhì)“暈”當(dāng)中,，這個暈的質(zhì)量占了銀河系總質(zhì)量的95%以上。地球則和太陽一起,，在這個暗物質(zhì)的暈當(dāng)中穿行,。無時不刻，大量的暗物質(zhì)就像暴雨一樣打在我們身上,。換句話說,，在地球上就能找到暗物質(zhì)！

暗物質(zhì)不參與電磁相互作用,，這意味著無法使用任何波段的光來觀測它,，也就是說，我們在地球上無法通過常規(guī)手段“看”到暗物質(zhì),。幸運的是,，傳說中的WIMP粒子參與弱相互作用，它們?nèi)绻嬖诘脑?，能夠和原子核里面的夸克發(fā)生碰撞,，從而把一部分動能轉(zhuǎn)遞給原子核,。這些能量又可能轉(zhuǎn)化為熱、光,、或者電離信號,，從而被探測器捕捉到。

尋找暗物質(zhì)的方法有點像守株待兔,?？茖W(xué)家用純凈的材料制作出一個大型的靶子，在微觀上,，這個大型的靶子就像一系列的樹樁,，暗物質(zhì)WIMP從靶子中間穿過時，可能撞在“樹樁”上,，從而產(chǎn)生信號,，布置在靶子周圍的探測器會把這個碰撞給“拍攝”下來，就像公路上拍攝超速的攝像頭一樣,。當(dāng)然,，發(fā)生碰撞的不僅僅是暗物質(zhì)，其它的放射性本底也會發(fā)生碰撞,。接下來,，科學(xué)家就要借助計算機的幫助，把真正屬于暗物質(zhì)的碰撞給挑出來,。

但這事有相當(dāng)?shù)碾y度,。實際的計算表明，預(yù)言中的暗物質(zhì)粒子和原子核發(fā)生碰撞的概率極其微小,。按照目前的天文學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算的話,，每秒鐘穿過一個人的身體的暗物質(zhì)粒子有上億個，但是在一天之內(nèi),，發(fā)生的碰撞平均還不到一次,！

與此同時，來自地球外部的宇宙射線（主要是帶電的μ子）會穿過我們,，環(huán)境中的放射性元素放出的各種放射線也會穿過我們,，這些放射線每天會和我們身體內(nèi)的原子發(fā)生的碰撞也超過一億次！兩相對比,，在上億次的碰撞中挑出不到一次的暗物質(zhì)碰撞信號,，看上去是一個不可能的任務(wù)。

物理學(xué)家采取了一系列的辦法來減少來自宇宙射線和環(huán)境輻射的干擾,。其中最重要的一種方法是將實驗裝置放到地底,，讓巖石和泥土去阻擋宇宙射線。根據(jù)計算,，每相當(dāng)于1000米等效水深的物質(zhì),，能夠讓宇宙線的強度降低到1/10。因此,，將探測器放得越深,，對宇宙射線本底的防護(hù)就越好。

PandaX實驗位于四川涼山州錦屏山的中國錦屏地下實驗室,，其上方有2400米厚的巖石覆蓋,。測量表明這里面的宇宙線強度大概為每年每平方米有62個μ子穿過，僅相當(dāng)于地平面的百萬分之一,，其等效水深相當(dāng)于6700米,，從而提供了良好的宇宙射線屏蔽。

此外,，就要想辦法來屏蔽實驗室環(huán)境中的各種輻射了,。巖石中的鈾、釷等放射性元素和它們的衰變產(chǎn)物會產(chǎn)生α粒子,、電子,、中子和伽馬光子等放射線。物理學(xué)家使用高純度無氧銅,、鉛,、聚乙烯等物質(zhì)來建造大型的屏蔽體，把絕大部分的環(huán)境放射性都阻擋在外面,。此外,，實驗中通常使用干燥的氮氣吹到屏蔽體的內(nèi)部，以降低從屏蔽體釋放出的放射性氡氣的濃度,。

通過這些辦法,，物理學(xué)家將宇宙射線和環(huán)境的本底信號控制在了可以接受的范圍之內(nèi)。實驗里面主要的本底信號就來自探測器和屏蔽體自身了,。

值得指出的是,，探測器所獲得的僅僅是碰撞信號，而不能確鑿無疑的告訴我們是什么粒子發(fā)生了碰撞,。暗物質(zhì)信號和中子造成的本底是沒有辦法進(jìn)行區(qū)分的,，一小部分來自伽馬光子本底的碰撞的信號也可能具有暗物質(zhì)碰撞信號的特征?？茖W(xué)家唯一能做的就是利用大規(guī)模的計算機模擬把這些本底理解清楚,，了解在探測器運行過程中本底可能產(chǎn)生多少碰撞事例。

PandaX實驗在整個一期的81天運行過程中,，總共記錄了超過二千四百萬的碰撞事例,，通過仔細(xì)的篩選和分析之后，最后在感興趣的區(qū)間內(nèi)只找到了7個事例,。模擬結(jié)果表明,，PandaX經(jīng)過這么長時間的運行,，其中預(yù)期有6.9個本底事例。這意味著我們沒有觀察到明顯超過預(yù)期本底的碰撞事例,，換句話說,，沒有找到WIMP。

現(xiàn)有的實驗沒有找到WIMP并非說明其不存在,，而是表明,，如果其存在，它與物質(zhì)的相互作用比預(yù)期的更加弱,。至少在目前為止,，暗物質(zhì)還有很大的生存空間。我們需要更大的靶子,，運行更長的時間,，以找到或者否認(rèn)其存在。即將運行的PandaX二期實驗就將執(zhí)行這樣一項任務(wù),。

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