捕捉暗物質粒子

董鐵礦

暗物質可能是這個宇宙中最撲朔迷離的事物，科學家隱隱約約覺得它應該存在，卻從沒看到過它的蹤跡。盡管看不見摸不著，但為了捕捉到暗物質的身影，科學家正在窮盡一切可能。

現代物理學把物質之間的相互作用，按作用強度從強到弱分為四種：強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。暗物質的屬性表明它們不參與強相互作用和電磁相互作用，只參與引力相互作用。那么它們是否參與弱相互作用呢？這個問題目前尚無答案。理論上，物理學家推測暗物質粒子最可能是一種被稱為WIMP的粒子，它指的是弱相互作用大質量粒子。這樣的粒子通常很自然地出現在對粒子物理標準模型的延拓中，而且WIMP粒子還具有一個讓很多物理學家青睞的屬性，它可以自然地解釋暗物質在宇宙中的豐度。而最讓大家覺得鼓舞的一點是，WIMP粒子的弱相互作用屬性提供給人們一個探測它們的機會。不過因為我們對WIMP粒子的質量和相互作用屬性一無所知，讓探測WIMP粒子成了一件很具挑戰性的事情。這相當于我們要下海捕魚，但魚兒在哪里我們卻不知道。

為探測WIMP粒子，科學家琢磨出了三種方案：一是通過它與普通物質可能的直接碰撞加以探測（直接探測）；二是通過高能粒子對撞機制造出暗物質粒子（對撞機探測）；三是尋找暗物質粒子衰變或湮滅產生的宇宙線信號（間接探測）。

直接探測法測量的是地球附近的暗物質粒子和探測器之間的直接碰撞。暗物質的屬性決定了暗物質粒子的探測一定是極其困難的，為了捕捉到暗物質粒子，我們需要盡量排除干擾，而最大的干擾來自于宇宙線。宇宙線是高能量的普通粒子，它們會與地球大氣和地面物質發生強相互作用和電磁相互作用，產生大量的次級粒子。不過如果我們將探測器放在地球深處的話，宇宙線會被厚厚的巖層吸收掉，其數量會急劇減少。因此，直接探測裝置通常都被置于地下深處。但WIMP粒子與常規物質之間發生相互作用的概率非常低，絕大多數WIMP粒子都會輕易穿過地球而不留下任何痕跡。所以我們只能嚴陣以待，然后祈禱吧，期望某個WIMP粒子會與探測器中的某個原子核發生碰撞，使原子核獲得少量的能量，產生微小的反沖的情況。原子核獲得的反沖能量會積存在探測器中形成可以探測的信號。目前，國際上已有十余家暗物質直接探測實驗室，而我國在四川錦屏山隧道中建設了世界上最深的深地實驗室，其中已有兩個暗物質探測實驗正在進行中。

尋找超出標準模型的新物理粒子，是費米實驗室和大型強子對撞機等大型粒子加速器的主要科學目標之一，這其中也包括WIMP粒子。這些大型加速器把兩束粒子（質子或反質子）加速到非常高的能量，最終在磁場的作用下讓它們改變軌道，在四周布滿探測器的地方發生對頭碰撞。粒子物理實驗的經驗告訴我們，碰撞能夠產生各種各樣的粒子，能量越高，產生的粒子質量也就越大。在已有的粒子表中沒有暗物質粒子，因此它們有可能具有更大的質量。大型強子對撞機是目前能提供最高能量的加速器，其能量遠遠超過之前的任何一臺加速器。在如此高的能量下，我們有可能制造出以前從未見過的質量更大的新粒子。通過仔細檢查每次碰撞的產物，我們或許能找到新粒子存在的證據，而它或許就是我們苦苦追尋的暗物質粒子。但目前還未能發現有WIMP粒子的跡象。

除了上述兩種方法以外，還有一種間接探測暗物質的方法，它們不是直接探測暗物質粒子本身，而是尋找暗物質粒子衰變或湮滅時產生的特征信號。在廣袤的宇宙空間分布著大量的暗物質粒子，如果暗物質粒子密度足夠高，一個WIMP粒子和它的反粒子就有機會相遇，一旦它們發生碰撞，就會同時消失并發出一系列包括伽馬射線、電子、正電子、反質子等高能粒子。如果暗物質粒子的壽命不是無限大，它們也會衰變為質量較小的標準模型粒子。暗物質粒子衰變或湮滅產生的粒子能量分布，與普通物質經過天體物理過程產生的能量分布具有不同的特征，尋找這樣的特征是間接探測暗物質的主要目的。高能伽馬射線作為一種非?？赡艿陌滴镔|粒子，其湮滅或衰變的產物是暗物質間接探測的重要觀測對象。伽馬射線不僅比較容易觀測，而且還記錄了來源的方向。因此，研究者探測各個能量段、各種特定方向上（如銀河系中心或矮星系中心等預期暗物質密度高的地方）的伽馬射線就成了尋找暗物質的一個常見方法。電子、正電子和反質子也是暗物質間接探測的重點觀測對象。例如在PAMELA和AMS-02等實驗中，研究者發現在高能量段，正電子與負電子比值出現增加的現象，與通常的天體物理模型預期（圖2中的灰色帶子）不符。WIMP暗物質粒子衰變或湮滅將可以解釋觀測數據，但還不能完全排除天體物理過程的貢獻。而我國的“悟空”號衛星也在正負電子總譜的測量方面做出了領先世界的成果，但在它的整個壽命期里所獲得的數據中，是否會包含有暗物質的信號還未可知。

前文所介紹的方法都是針對WIMP暗物質粒子假說而開展的搜尋工作。然而，我們并不能保證暗物質就一定是WIMP粒子，還存在其他可能性，例如前文提到的軸子。因此也很有必要針對另外的候選粒子開展實驗搜尋。軸子的探測方法主要是通過測量它們和光子之間的轉換，比如在密閉實驗室中加上強磁場探測軸子轉化后形成的光子，或者觀測高能伽馬射線經過和軸子的轉換后形成的具有振蕩結構的能譜。還有一類暗物質粒子被稱作“惰性中微子”，這是一種溫暗物質候選粒子。理論上預期這種粒子會衰變產生一個普通中微子和一個光子，光子的能譜是單能線譜，具有很好的辨識度。預期光子能量處于X射線波段，那么通過探測這種單能X射線線譜將會是搜尋惰性中微子的有效辦法。

總之，暗物質粒子探測是一項既迷人又富有挑戰性的工作。許多國家都為此投入了大量的人力和物力。與此同時，關于它的理論研究也出現了百家爭鳴的景象。此外，探測技術、計算機和數據處理方法也在快速發展。我們有理由相信，21世紀人們在暗物質粒子探測方面將取得重大突破。