圍剿暗物質(zhì)
一個(gè)幽靈，暗物質(zhì)的幽靈，在宇宙中游蕩。為了對這個(gè)幽靈進(jìn)行神圣的圍剿，空間軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，地下隧道里的實(shí)驗(yàn)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(yáng)
我們認(rèn)識暗物質(zhì)這個(gè)幽靈已經(jīng)有接近100年的歷史，通過它的引力效應(yīng)，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(xué)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(gè)新大陸的面紗。
幽靈般的粒子
1933年，暗物質(zhì)這個(gè)神秘的幽靈第一次在人類面前現(xiàn)出蹤跡，加州理工學(xué)院的天文學(xué)家茲威基（Fritz Zwicky）在考察位于后發(fā)座的星系團(tuán)時(shí)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(gè)星系團(tuán)中星系的運(yùn)動速度得出的。星系團(tuán)顧名思義是星系的集團(tuán)，如果想要這個(gè)星系集團(tuán)長久地在宇宙中存在，星系團(tuán)應(yīng)該能夠提供束縛住這些星系的引力。人們原本自然地認(rèn)為引力應(yīng)該源于星系中所有恒星，但茲威基發(fā)現(xiàn)，如果認(rèn)為星系團(tuán)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(tuán)的逃逸速度。換句話說，星系跑得太快，星系團(tuán)中必須有更多看不見的物質(zhì)來提供引力，才能夠?qū)⑿窍凳`住。
在很長一段時(shí)間里，暗物質(zhì)并沒有引起太多科學(xué)家的興趣。一方面，確認(rèn)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(xué)家并不關(guān)心這個(gè)，除非這些暗物質(zhì)有什么超出人類認(rèn)知的特點(diǎn)。事實(shí)上，直到上世紀(jì)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(xué)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(gòu)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(zhuǎn)曲線觀測在上世紀(jì)60年代到70年代之間越來越成熟，這類觀測反應(yīng)了星系不同區(qū)域恒星或氣體云繞星系中心轉(zhuǎn)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(jié)論：星系中包含遠(yuǎn)超出可見物質(zhì)質(zhì)量的暗物質(zhì)，因?yàn)樾窍低鈬暮阈呛蜌怏w運(yùn)動的速度太快了。
此外，X-ray衛(wèi)星顯示出，星系團(tuán)的中心存在大量熱氣體，溫度高達(dá)百萬開爾文。想要束縛這些熱氣體則需要非常強(qiáng)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(gòu)成的氣體。人們估計(jì)，暗物質(zhì)的質(zhì)量至少應(yīng)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(gòu)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(tuán)的觀測。當(dāng)兩個(gè)星系團(tuán)合并的時(shí)候，由X-ray望遠(yuǎn)鏡觀測示蹤的星系團(tuán)熱氣體因?yàn)橄嗷ブg的壓力放慢了速度，但由引力透鏡示蹤的暗物質(zhì)團(tuán)塊卻毫無阻礙地如幽靈般對穿而過，比熱氣體跑得更遠(yuǎn)。
圖1. 圖中顯示了6個(gè)由哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X-ray天文臺觀測的星系團(tuán)。紅色代表了星系團(tuán)中的熱氣體，藍(lán)色代表了星系團(tuán)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(jì)60年代以后，隨著天文學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)生重大的觀測突破，以及美國航天項(xiàng)目的刺激，天文學(xué)獲得的經(jīng)費(fèi)資助顯著增加，吸引了眾多學(xué)習(xí)天文的學(xué)生，也吸引力了眾多物理學(xué)博士跨領(lǐng)域進(jìn)入天文研究。兩個(gè)領(lǐng)域?qū)W者的興趣在宇宙學(xué)這個(gè)領(lǐng)域交匯了，“暗物質(zhì)是一種基本粒子”這一假說開始被認(rèn)真考慮。
在1982年，三個(gè)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(yùn)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(dǎo)的宇宙中，最先形成的結(jié)構(gòu)是質(zhì)量非常低的暗物質(zhì)小團(tuán)塊。這些團(tuán)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(tuán)塊的中心，直到恒星點(diǎn)燃，星系形成。利用超級計(jì)算機(jī)，人們可以模擬由這一類暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中結(jié)構(gòu)是如何形成的。結(jié)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(xué)家和天文學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型里的粒子同時(shí)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(jié)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(jī)會。
在地球上搜索暗物質(zhì)
暗物質(zhì)占據(jù)著宇宙實(shí)物總量的百分之八十（注：暗物質(zhì)在宇宙實(shí)物中占據(jù)主導(dǎo)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(jié)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(shí)際上主導(dǎo)了宇宙中的結(jié)構(gòu)形成。正如星系旋轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)厍蛟阢y河系中運(yùn)動的時(shí)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(yù)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(dāng)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(yīng)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(gè)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(gè)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(dǎo)狀態(tài)的鎢片探查到。CDMS和SuperCDMS系列實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，LUX系列實(shí)驗(yàn)，以及由上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX項(xiàng)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(lán)色部分表示探測器中的液態(tài)氙，當(dāng)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(gè)紫外光子，這個(gè)光子會被覆蓋在液態(tài)氙容器兩側(cè)的探測器探測到。同時(shí)，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(yùn)動，并在S2處產(chǎn)生一個(gè)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(shí)驗(yàn)和COSINE-100實(shí)驗(yàn)。
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?yàn)閺挠钪婵臻g進(jìn)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(tuán)成員，都有能力在暗物質(zhì)探測器中產(chǎn)生很強(qiáng)的可探測信號。如果科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)目的地點(diǎn)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(gè)不同的的暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)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(gè)量級。在探測精度提高了數(shù)十萬倍之后，大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)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(gè)例外，就是位于意大利國立核物理研究所地下實(shí)驗(yàn)室的DAMA探測實(shí)驗(yàn)。它是世界上最早的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)之一，報(bào)告一直看到一個(gè)很強(qiáng)的周期性信號。這個(gè)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(shí)顯得最強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)也沒有能夠重復(fù)DAMA的實(shí)驗(yàn)。因此，人們普遍對這一結(jié)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(jì)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(shí)驗(yàn)將遇到一個(gè)技術(shù)上的瓶頸。
計(jì)劃于2026年運(yùn)行的DARWIN實(shí)驗(yàn)將會是某種終結(jié)者式的實(shí)驗(yàn)，如果它無法探測到暗物質(zhì)粒子，那么即使探測靈敏度進(jìn)一步提高，也無法探測到暗物質(zhì)粒子。因?yàn)樵谀菢拥撵`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(shè)計(jì)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(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）[8]中產(chǎn)生。在對撞機(jī)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(jī)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(xué)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(yù)言，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子，都應(yīng)該擁有一個(gè)非常重的伴侶粒子，這個(gè)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(gè)，正好應(yīng)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(gè)粒子，在早期的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)和下一代的粒子對撞機(jī)也正在規(guī)劃中。不過，決定在哪一個(gè)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(jī)。而在這方面，天體物理觀測仍然可能在多個(gè)方面提供關(guān)于暗物質(zhì)本質(zhì)的線索。
一個(gè)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?qū)⑦@些伽馬光子從其他天體物理機(jī)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(fù)電子對，由中國紫金山天文臺領(lǐng)導(dǎo)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(xué)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(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)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(xué)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(tuán)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(dǎo)的宇宙會在形成小尺度天體結(jié)構(gòu)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(tuán)塊。而這些暗物質(zhì)團(tuán)塊的存在與否，也可以通過天文觀測，例如強(qiáng)引力透鏡，或者銀河系內(nèi)的星流擾動驗(yàn)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(shí)驗(yàn)提供有用的指導(dǎo)。
我們無法確定暗物質(zhì)粒子何時(shí)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(xué)頗有獲益。暗物質(zhì)猶如一團(tuán)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(qū)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(xué)天文系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位（2006年）和博士學(xué)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(jì)劃研究員。主要研究領(lǐng)域：引力透鏡，星系形成以及宇宙學(xué)。業(yè)余從事科普寫作，已出版《漫步到宇宙盡頭》一書。
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參考資料
[1] 圖片來源： NASA, ESA, STScI, and CXC; 科學(xué)團(tuán)團(tuán)隊(duì)： NASA, ESA, D. Harvey (école Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland; University of Edinburgh, UK), R. Massey (Durham University, UK), T. Kitching (University College London, UK), and A. Taylor and E. Tittley (University of Edinburgh, UK)
[2]https://supercdms.slac.stanford.edu/
[3] PandaX實(shí)驗(yàn): https://pandax.sjtu.edu.cn/;
DAMA實(shí)驗(yàn): http://people.roma2.infn.it/~dama/web/home.html
XENON實(shí)驗(yàn)：http://www.xenon1t.org/
[4] An experiment to search for dark-matter interactions using sodium iodide detectors，Nature, 2018，564，83
[5] Sketch of the working principle of a xenon dual-phase TPC, from Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/XENON#/media/File:2phaseTPC_b.jpg
[6]"DARWIN: dark matter WIMP search with noble liquids". J. Phys. Conf. Ser. 375 (1): 012028
[7]WIMP dark matter candidates and searches { current status and future prospects，Rept.Prog.Phys. 81 (2018) no.6, 066201
[8] https://home.cern/science/physics/dark-matter
[9] NASA's Goddard Space Flight Center
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/new-structure.html
[10] Boyarsky A., Ruchayskiy O., Iakubovskyi D., Franse J., 2014, Phys. Rev.
Lett., 113, 251301
[11] Bulbul E.,Markevitch M., Foster A., Smith R. K., Loewenstein M., Randall
S. W., 2014, ApJ, 789, 13
文章頭圖及封面圖片來源：sputniknews.com，版權(quán)歸屬：AFP 2019/HO/NASA
