一個幽靈，暗物質(zhì)的幽靈,，在宇宙中游蕩,。為了對這個幽靈進行神圣的圍剿，空間軌道上運行的衛(wèi)星,，地下隧道里的實驗室,，以及世界上最大的加速器都聯(lián)合起來了。

撰文 | 李然（國家天文臺）

編輯 | 韓越揚

我們認識暗物質(zhì)這個幽靈已經(jīng)有接近100年的歷史,，通過它的引力效應,，我們十分有把握地確定它的存在，但所有的探索都還不能告訴我們它的真身,。它的名字存在于所有宇宙學家的研究論文中,，至少一次出現(xiàn)在他們的科研基金申請文檔。我們期待著在有生之年能夠抓住它的尾巴,，從而掀開一個新大陸的面紗,。

幽靈般的粒子

1933年，暗物質(zhì)這個神秘的幽靈第一次在人類面前現(xiàn)出蹤跡,，加州理工學院的天文學家茲威基（Fritz Zwicky）在考察位于后發(fā)座的星系團時發(fā)現(xiàn),，宇宙中可能隱藏著大量看不見的物質(zhì)。這一推斷是基于這個星系團中星系的運動速度得出的,。星系團顧名思義是星系的集團,，如果想要這個星系集團長久地在宇宙中存在，星系團應該能夠提供束縛住這些星系的引力,。人們原本自然地認為引力應該源于星系中所有恒星,，但茲威基發(fā)現(xiàn)，如果認為星系團中的引力完全來源于星系中的恒星,，那么天文觀測中測定的星系速度將大于星系團的逃逸速度,。換句話說，星系跑得太快,，星系團中必須有更多看不見的物質(zhì)來提供引力,，才能夠將星系束縛住,。

在很長一段時間里，暗物質(zhì)并沒有引起太多科學家的興趣,。一方面,，確認暗物質(zhì)存在的證據(jù)還太少。另一方面,，宇宙中存在看不見的東西并不奇怪,，沒有光線照耀的礦坑里，滿是看不見的礦藏和泥土,，企業(yè)家或許還有興趣,，但物理學家并不關心這個，除非這些暗物質(zhì)有什么超出人類認知的特點,。事實上,，直到上世紀70年代末，仍然有很多人不相信暗物質(zhì)的存在,。如果有人在物理學會議上說暗物質(zhì)是存在的,，很多人可能會禮貌地微笑，而如果有人說暗物質(zhì)可能是構成宇宙的基本粒子,，很多人更可能會哈哈大笑,。

不過，暗物質(zhì)存在的證據(jù)漸漸地積累了起來,，越來越多的暗物質(zhì)證據(jù)在天文上被發(fā)現(xiàn),。

首先是星系的旋轉曲線觀測在上世紀60年代到70年代之間越來越成熟，這類觀測反應了星系不同區(qū)域恒星或氣體云繞星系中心轉動的速度,。到了70年代,，積累的數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠人們下結論：星系中包含遠超出可見物質(zhì)質(zhì)量的暗物質(zhì)，因為星系外圍的恒星和氣體運動的速度太快了,。

此外,，X-ray衛(wèi)星顯示出，星系團的中心存在大量熱氣體,，溫度高達百萬開爾文,。想要束縛這些熱氣體則需要非常強大的引力。而且,，這些引力并不只來源于那些已經(jīng)被觀察到的,、由原子構成的氣體。人們估計,，暗物質(zhì)的質(zhì)量至少應該是可以看見物質(zhì)質(zhì)量的5-10倍,。

更有趣的是，包括微波背景輻射在內(nèi)的多種天文觀測顯示,，暗物質(zhì)絕非人們在地球上見過的由原子物質(zhì)構成的物質(zhì),。其中,，最直觀的證據(jù)來自對相互碰撞的星系團的觀測。當兩個星系團合并的時候,，由X-ray望遠鏡觀測示蹤的星系團熱氣體因為相互之間的壓力放慢了速度，但由引力透鏡示蹤的暗物質(zhì)團塊卻毫無阻礙地如幽靈般對穿而過,，比熱氣體跑得更遠,。

圖1. 圖中顯示了6個由哈勃望遠鏡和錢德拉X-ray天文臺觀測的星系團。紅色代表了星系團中的熱氣體,，藍色代表了星系團中由引力透鏡方法探測到的暗物質(zhì)的分布,。研究表明暗物質(zhì)粒子似乎完全不和熱氣體粒子發(fā)生相互作用。（圖源：詳見[1]）

上世紀60年代以后,，隨著天文學領域不斷發(fā)生重大的觀測突破,，以及美國航天項目的刺激，天文學獲得的經(jīng)費資助顯著增加,，吸引了眾多學習天文的學生,，也吸引力了眾多物理學博士跨領域進入天文研究。兩個領域學者的興趣在宇宙學這個領域交匯了,，“暗物質(zhì)是一種基本粒子”這一假說開始被認真考慮,。

在1982年，三個研究組（James Peebles; J.Richard Bond, Alex Szalay and Michael Turner; George Blumenthal, H. Pagels and Joel Primack）不約而同地描述一類被稱作“冷暗物質(zhì)”的模型,。這一類暗物質(zhì)粒子在宇宙早期相對于光速運動得非常緩慢,，因此被稱作是“冷”的。

由于這種冷的特性,，由這類暗物質(zhì)主導的宇宙中,，最先形成的結構是質(zhì)量非常低的暗物質(zhì)小團塊。這些團塊會通過合并和吸積周圍的暗物質(zhì)增長,。普通的物質(zhì)會沉積在暗物質(zhì)團塊的中心,，直到恒星點燃，星系形成,。利用超級計算機,，人們可以模擬由這一類暗物質(zhì)主導的宇宙中結構是如何形成的。結果顯示,，冷暗物質(zhì)可以完美地解釋星系巡天觀察到的星系空間分布狀態(tài),。

冷暗物質(zhì)是一大類暗物質(zhì)候選者的統(tǒng)稱，很多物理學家和天文學家猜測,，它的真身是一類被稱作“弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）”的粒子,。這種暗物質(zhì)粒子在宇宙早期會和標準模型里的粒子同時處于熱平衡狀態(tài)，不斷地產(chǎn)生和湮滅,。隨著宇宙的膨脹和降溫,，WIMP粒子從熱平衡里凍結出來,，成為我們今天知道的暗物質(zhì)。

理論無法推定WIMP的具體質(zhì)量,，它可能在100 Gev到10 TeV之間,，但這類暗物質(zhì)粒子可以參與弱相互作用，這就給了研究者探測它的機會,。

在地球上搜索暗物質(zhì)

暗物質(zhì)占據(jù)著宇宙實物總量的百分之八十（注：暗物質(zhì)在宇宙實物中占據(jù)主導地位,，但如果考慮宇宙中的總質(zhì)能，那么按照PLANCK衛(wèi)星最新的觀測結果,，暗能量占據(jù)68.5%,，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)加起來占據(jù)31.5%），這意味著它實際上主導了宇宙中的結構形成,。正如星系旋轉曲線觀測顯示的那樣,，星系沉浸在由暗物質(zhì)組成的巨大暗暈中。在有普通物質(zhì)的地方,，總有暗物質(zhì)伴隨,。當?shù)厍蛟阢y河系中運動的時候，它也在不斷地和銀河系中的暗物質(zhì)粒子交匯,。因此,，我們在地球上就有可能捕獲到暗物質(zhì)。

WIMP模型預言暗物質(zhì)和原子物質(zhì)的原子核可能發(fā)生極為微弱的相互作用,。當暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)粒子的原子核相互碰撞,，人們就可能通過普通原子被碰撞后的反應來探測暗物質(zhì)。

研究者想出了不同的方法截獲來自暗物質(zhì)的碰撞,。一種方法是利用鍺或者是硅的晶體,。整個探測器處于極低溫狀態(tài)下，如果暗物質(zhì)粒子恰好和晶體中的一個原子的原子核發(fā)生了碰撞,，就會在晶體中產(chǎn)生極為微小的晶格振動,，使得晶體產(chǎn)生極為微小的溫度變化。這一微小的溫度變化能被晶體表面覆著的超導狀態(tài)的鎢片探查到,。CDMS和SuperCDMS系列實驗就采用了這種方法[2],。

另一種常用的方式則使用液態(tài)的惰性氣體元素，例如氬或者氙作為碰撞的介質(zhì),，再利用閃爍探測器來記錄碰撞過程中產(chǎn)生的一瞬輝光,。XENON系列實驗，LUX系列實驗,，以及由上海交通大學領導的PandaX項目[3],，就是利用基于液態(tài)氙的探測器來搜索暗物質(zhì)粒子可能的蹤跡。

圖2. 液態(tài)惰性氣體元素探測器原理。藍色部分表示探測器中的液態(tài)氙,，當來自宇宙空間的WIMP粒子和氙原子核發(fā)生碰撞后,，會在S1的位置產(chǎn)生一個紫外光子，這個光子會被覆蓋在液態(tài)氙容器兩側的探測器探測到,。同時,，碰撞還會造成氙的電離，被電離的電子會在電場作用下向上運動,，并在S2處產(chǎn)生一個閃光信號,。比較S1/S2處的信號，人們便可以了解入射粒子的性質(zhì)（圖源：詳見[5]）

此外,，有的探測器也會將碘化鈉晶體用作被碰撞發(fā)光的探測介質(zhì)，例如DAMA實驗和COSINE-100實驗,。

有趣的是,，人們要想在地球上尋找宇宙空間中發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)，反而需要把探測器深埋在地底下,。這是因為從宇宙空間進入地球的并不只有暗物質(zhì)粒子,，還包含了多種高能粒子，這些粒子中絕大多數(shù)是質(zhì)子和氦原子核,，還有少量重原子,，少量電子和更少量的伽馬射線和超高能中微子。這些被稱作“宇宙線”的粒子集團成員,，都有能力在暗物質(zhì)探測器中產(chǎn)生很強的可探測信號,。如果科學家把探測器擺在地球表面，即使有暗物質(zhì)被探測器捕獲到,，人們也很難在眾多宇宙線造成的噪聲中發(fā)現(xiàn)它的蹤跡,。作為對策，將實驗探測器深深地埋入地下,，就可以把眾多的宇宙線阻擋住,，讓暗物質(zhì)粒子的信息凸顯出來。例如,，PandaX項目的地點就位于中國四川錦屏山地下2400米的隧道里,。

在過去的十五年里，數(shù)個不同的的暗物質(zhì)直接探測實驗被陸續(xù)啟動,，在地下的隧道里展開了一場對暗物質(zhì)粒子曠日持久的圍剿,。1994年以來，對于WIMP粒子直接探測的靈敏度,，幾乎每兩年就可以提升一個量級,。在探測精度提高了數(shù)十萬倍之后，大多數(shù)的實驗中，人們?nèi)匀粵]有看到暗物質(zhì)粒子存在的跡象,。

不過,，這里有一個例外，就是位于意大利國立核物理研究所地下實驗室的DAMA探測實驗,。它是世界上最早的暗物質(zhì)探測實驗之一,，報告一直看到一個很強的周期性信號。這個探測信號在六月份,，也就是地球相對于銀河系暗物質(zhì)背景速度最快時顯得最強,，而在十二月變得最弱。初看起來,，這種有周期變化的信號正像是暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的,，但是其他更加靈敏的探測器都沒有探測到這一信號，尤其是和DAMA使用同樣類型探測器的COSINE-100實驗也沒有能夠重復DAMA的實驗,。因此,，人們普遍對這一結果的暗物質(zhì)解釋持懷疑態(tài)度[4]。

按照目前的探測器建造計劃,，在未來的十年里,，如果仍然沒有暗物質(zhì)粒子被確定地探測到，直接探測暗物質(zhì)實驗將遇到一個技術上的瓶頸,。

計劃于2026年運行的DARWIN實驗將會是某種終結者式的實驗,，如果它無法探測到暗物質(zhì)粒子，那么即使探測靈敏度進一步提高,，也無法探測到暗物質(zhì)粒子,。因為在那樣的靈敏度上，探測器將可以探測到來自太陽的中微子,，這些中微子產(chǎn)生的噪聲信號將會徹底地淹沒暗物質(zhì)粒子的信號,。不過，這也許并非是完全無法解決的問題,，如果能夠設計建造有方向辨別能力的探測器,，還是有希望把來自太陽方向的中微子產(chǎn)生的信號去除掉。

理論上,，暗物質(zhì)也可能在大型強子對撞機（LHC）[8]中產(chǎn)生,。在對撞機里，高能粒子彼此碰撞,，舊的粒子毀滅,，從對撞中獲取能量的新粒子誕生。如果對撞的能量高出暗物質(zhì)粒子的能量,，那么暗物質(zhì)粒子就可能在對撞機中產(chǎn)生,。暗物質(zhì)粒子一旦產(chǎn)生,，本身很難被探測到，但是它們會帶走能量和動量,，所以科學家可以通過分析碰撞后“丟失”的能量和動量來研究是否在碰撞中產(chǎn)生了暗物質(zhì)粒子,。

超對稱理論曾經(jīng)預言，每一個標準模型中的粒子,，都應該擁有一個非常重的伴侶粒子,，這個伴侶粒子的存在可以解釋為什么我們目前找到的這些基本粒子質(zhì)量正好在我們觀測到的數(shù)值范圍。這些超對稱粒子中最輕的一個,，正好應該在LHC可以企及的能量范圍,，很可能就是WIMP暗物質(zhì)粒子的真身。

人們一度非常熱切地寄望于LHC找到這個粒子,，在早期的實驗中,，人們甚至看到了一些可能的跡象。不幸的是,，隨著數(shù)據(jù)的積累,，這些最初的跡象歸于塵土，渺然無蹤,。

再次回到天上

人們還遠遠沒有窮盡在地球上探測暗物質(zhì)的方法,，更多精巧的探測實驗和下一代的粒子對撞機也正在規(guī)劃中,。不過,，決定在哪一個方向傾盡資源之前，人們也許需要再一次審視自己的理論動機,。而在這方面,，天體物理觀測仍然可能在多個方面提供關于暗物質(zhì)本質(zhì)的線索。

一個有希望的窗口來自高能天文觀測,。如果WIMP粒子可以湮滅,，那么在宇宙中暗物質(zhì)富集的地方，例如銀河系中心或者矮星系中心,，就可能會產(chǎn)生大量源于暗物質(zhì)湮滅的伽馬光子,。如果能夠將這些伽馬光子從其他天體物理機制起源的伽馬光子（例如毫秒級脈沖星）中分開，研究者就有了暗物質(zhì)存在的證據(jù),。

此外,，暗物質(zhì)的湮滅也會有可能產(chǎn)生高能正負電子對，由中國紫金山天文臺領導的悟空（DAMPE）暗物質(zhì)探測器就有可能探測到這些額外產(chǎn)生的高能電子,，從而對暗物質(zhì)的存在找到證據(jù)。

圖3. 2010年,，哈佛大學的Finkbeiner 和博士生蘇萌,，以及Tracy Slatyer 發(fā)現(xiàn)銀河系中心有巨大的伽馬射線和X-ray的泡狀結構。一般認為這一結構中的Gamma射線主要并不起源于暗物質(zhì)湮滅，但暗物質(zhì)湮滅的信號很可能藏身其中,。（圖源：詳見[9]）

天文學觀測同樣也為除WIMP之外的暗物質(zhì)候選者提供線索,。例如，2014年,，人們分別在近鄰星系和星系團中心發(fā)現(xiàn)了位于3.5 keV能量的X-ray發(fā)射線[10,11],，如果這一發(fā)射線的起源是暗物質(zhì)的衰變，那就意味著宇宙中的暗物質(zhì)很可能是一類被稱作“惰性中微子”的粒子,。理論上,，這種暗物質(zhì)粒子主導的宇宙會在形成小尺度天體結構方面和WIMP宇宙略微不同，前者形成的宇宙里幾乎不會存在低于一千萬太陽質(zhì)量的暗物質(zhì)團塊,。而這些暗物質(zhì)團塊的存在與否,，也可以通過天文觀測，例如強引力透鏡,，或者銀河系內(nèi)的星流擾動驗證,。這些天文方面的觀測很可能無法完全確定暗物質(zhì)粒子的真身，但會對于直接搜索實驗提供有用的指導,。

我們無法確定暗物質(zhì)粒子何時才能夠被探測到,，但目前圍剿暗物質(zhì)過程中的挫折和困惑已經(jīng)令物理學頗有獲益。暗物質(zhì)猶如一團迷霧,，也許只是不經(jīng)意間的一縷地底的輝光,，就足以完全驅散這片薄霧，顯現(xiàn)出一片嶄新的物理大陸,。

作者簡介：李然,，畢業(yè)于北京大學天文系，獲理學學士學位（2006年）和博士學位（2011年）,。其后在國家天文臺從事博士后研究,，現(xiàn)在為國家天文臺星云計劃研究員。主要研究領域：引力透鏡,，星系形成以及宇宙學,。業(yè)余從事科普寫作，已出版《漫步到宇宙盡頭》一書,。