围剿暗物质
一个幽灵，暗物质的幽灵，在宇宙中游荡。为了对这个幽灵进行神圣的围剿，空间轨道上运行的卫星，地下隧道里的实验室，以及世界上最大的加速器都联合起来了。
撰文 | 李然（国家天文台）
编辑 | 韩越扬
我们认识暗物质这个幽灵已经有接近100年的历史，通过它的引力效应，我们十分有把握地确定它的存在，但所有的探索都还不能告诉我们它的真身。它的名字存在于所有宇宙学家的研究论文中，至少一次出现在他们的科研基金申请文档。我们期待着在有生之年能够抓住它的尾巴，从而掀开一个新大陆的面纱。
幽灵般的粒子
1933年，暗物质这个神秘的幽灵第一次在人类面前现出踪迹，加州理工学院的天文学家兹威基（Fritz Zwicky）在考察位于后发座的星系团时发现，宇宙中可能隐藏着大量看不见的物质。这一推断是基于这个星系团中星系的运动速度得出的。星系团顾名思义是星系的集团，如果想要这个星系集团长久地在宇宙中存在，星系团应该能够提供束缚住这些星系的引力。人们原本自然地认为引力应该源于星系中所有恒星，但兹威基发现，如果认为星系团中的引力完全来源于星系中的恒星，那么天文观测中测定的星系速度将大于星系团的逃逸速度。换句话说，星系跑得太快，星系团中必须有更多看不见的物质来提供引力，才能够将星系束缚住。
在很长一段时间里，暗物质并没有引起太多科学家的兴趣。一方面，确认暗物质存在的证据还太少。另一方面，宇宙中存在看不见的东西并不奇怪，没有光线照耀的矿坑里，满是看不见的矿藏和泥土，企业家或许还有兴趣，但物理学家并不关心这个，除非这些暗物质有什么超出人类认知的特点。事实上，直到上世纪70年代末，仍然有很多人不相信暗物质的存在。如果有人在物理学会议上说暗物质是存在的，很多人可能会礼貌地微笑，而如果有人说暗物质可能是构成宇宙的基本粒子，很多人更可能会哈哈大笑。
不过，暗物质存在的证据渐渐地积累了起来，越来越多的暗物质证据在天文上被发现。
首先是星系的旋转曲线观测在上世纪60年代到70年代之间越来越成熟，这类观测反应了星系不同区域恒星或气体云绕星系中心转动的速度。到了70年代，积累的数据已经足够人们下结论：星系中包含远超出可见物质质量的暗物质，因为星系外围的恒星和气体运动的速度太快了。
此外，X-ray卫星显示出，星系团的中心存在大量热气体，温度高达百万开尔文。想要束缚这些热气体则需要非常强大的引力。而且，这些引力并不只来源于那些已经被观察到的、由原子构成的气体。人们估计，暗物质的质量至少应该是可以看见物质质量的5-10倍。
更有趣的是，包括微波背景辐射在内的多种天文观测显示，暗物质绝非人们在地球上见过的由原子物质构成的物质。其中，最直观的证据来自对相互碰撞的星系团的观测。当两个星系团合并的时候，由X-ray望远镜观测示踪的星系团热气体因为相互之间的压力放慢了速度，但由引力透镜示踪的暗物质团块却毫无阻碍地如幽灵般对穿而过，比热气体跑得更远。
图1. 图中显示了6个由哈勃望远镜和钱德拉X-ray天文台观测的星系团。红色代表了星系团中的热气体，蓝色代表了星系团中由引力透镜方法探测到的暗物质的分布。研究表明暗物质粒子似乎完全不和热气体粒子发生相互作用。（图源：详见[1]）
上世纪60年代以后，随着天文学领域不断发生重大的观测突破，以及美国航天项目的刺激，天文学获得的经费资助显著增加，吸引了众多学习天文的学生，也吸引力了众多物理学博士跨领域进入天文研究。两个领域学者的兴趣在宇宙学这个领域交汇了，“暗物质是一种基本粒子”这一假说开始被认真考虑。
在1982年，三个研究组（James Peebles; J.Richard Bond, Alex Szalay and Michael Turner; George Blumenthal, H. Pagels and Joel Primack）不约而同地描述一类被称作“冷暗物质”的模型。这一类暗物质粒子在宇宙早期相对于光速运动得非常缓慢，因此被称作是“冷”的。
由于这种冷的特性，由这类暗物质主导的宇宙中，最先形成的结构是质量非常低的暗物质小团块。这些团块会通过合并和吸积周围的暗物质增长。普通的物质会沉积在暗物质团块的中心，直到恒星点燃，星系形成。利用超级计算机，人们可以模拟由这一类暗物质主导的宇宙中结构是如何形成的。结果显示，冷暗物质可以完美地解释星系巡天观察到的星系空间分布状态。
冷暗物质是一大类暗物质候选者的统称，很多物理学家和天文学家猜测，它的真身是一类被称作“弱相互作用大质量粒子（WIMP）”的粒子。这种暗物质粒子在宇宙早期会和标准模型里的粒子同时处于热平衡状态，不断地产生和湮灭。随着宇宙的膨胀和降温，WIMP粒子从热平衡里冻结出来，成为我们今天知道的暗物质。
理论无法推定WIMP的具体质量，它可能在100 Gev到10 TeV之间，但这类暗物质粒子可以参与弱相互作用，这就给了研究者探测它的机会。
在地球上搜索暗物质
暗物质占据着宇宙实物总量的百分之八十（注：暗物质在宇宙实物中占据主导地位，但如果考虑宇宙中的总质能，那么按照PLANCK卫星最新的观测结果，暗能量占据68.5%，暗物质和普通物质加起来占据31.5%），这意味着它实际上主导了宇宙中的结构形成。正如星系旋转曲线观测显示的那样，星系沉浸在由暗物质组成的巨大暗晕中。在有普通物质的地方，总有暗物质伴随。当地球在银河系中运动的时候，它也在不断地和银河系中的暗物质粒子交汇。因此，我们在地球上就有可能捕获到暗物质。
WIMP模型预言暗物质和原子物质的原子核可能发生极为微弱的相互作用。当暗物质粒子和普通物质粒子的原子核相互碰撞，人们就可能通过普通原子被碰撞后的反应来探测暗物质。
研究者想出了不同的方法截获来自暗物质的碰撞。一种方法是利用锗或者是硅的晶体。整个探测器处于极低温状态下，如果暗物质粒子恰好和晶体中的一个原子的原子核发生了碰撞，就会在晶体中产生极为微小的晶格振动，使得晶体产生极为微小的温度变化。这一微小的温度变化能被晶体表面覆着的超导状态的钨片探查到。CDMS和SuperCDMS系列实验就采用了这种方法[2]。
另一种常用的方式则使用液态的惰性气体元素，例如氩或者氙作为碰撞的介质，再利用闪烁探测器来记录碰撞过程中产生的一瞬辉光。XENON系列实验，LUX系列实验，以及由上海交通大学领导的PandaX项目[3]，就是利用基于液态氙的探测器来搜索暗物质粒子可能的踪迹。
图2. 液态惰性气体元素探测器原理。蓝色部分表示探测器中的液态氙，当来自宇宙空间的WIMP粒子和氙原子核发生碰撞后，会在S1的位置产生一个紫外光子，这个光子会被覆盖在液态氙容器两侧的探测器探测到。同时，碰撞还会造成氙的电离，被电离的电子会在电场作用下向上运动，并在S2处产生一个闪光信号。比较S1/S2处的信号，人们便可以了解入射粒子的性质（图源：详见[5]）
此外，有的探测器也会将碘化钠晶体用作被碰撞发光的探测介质，例如DAMA实验和COSINE-100实验。
有趣的是，人们要想在地球上寻找宇宙空间中发现的暗物质，反而需要把探测器深埋在地底下。这是因为从宇宙空间进入地球的并不只有暗物质粒子，还包含了多种高能粒子，这些粒子中绝大多数是质子和氦原子核，还有少量重原子，少量电子和更少量的伽马射线和超高能中微子。这些被称作“宇宙线”的粒子集团成员，都有能力在暗物质探测器中产生很强的可探测信号。如果科学家把探测器摆在地球表面，即使有暗物质被探测器捕获到，人们也很难在众多宇宙线造成的噪声中发现它的踪迹。作为对策，将实验探测器深深地埋入地下，就可以把众多的宇宙线阻挡住，让暗物质粒子的信息凸显出来。例如，PandaX项目的地点就位于中国四川锦屏山地下2400米的隧道里。
在过去的十五年里，数个不同的的暗物质直接探测实验被陆续启动，在地下的隧道里展开了一场对暗物质粒子旷日持久的围剿。1994年以来，对于WIMP粒子直接探测的灵敏度，几乎每两年就可以提升一个量级。在探测精度提高了数十万倍之后，大多数的实验中，人们仍然没有看到暗物质粒子存在的迹象。
不过，这里有一个例外，就是位于意大利国立核物理研究所地下实验室的DAMA探测实验。它是世界上最早的暗物质探测实验之一，报告一直看到一个很强的周期性信号。这个探测信号在六月份，也就是地球相对于银河系暗物质背景速度最快时显得最强，而在十二月变得最弱。初看起来，这种有周期变化的信号正像是暗物质粒子产生的，但是其他更加灵敏的探测器都没有探测到这一信号，尤其是和DAMA使用同样类型探测器的COSINE-100实验也没有能够重复DAMA的实验。因此，人们普遍对这一结果的暗物质解释持怀疑态度[4]。
按照目前的探测器建造计划，在未来的十年里，如果仍然没有暗物质粒子被确定地探测到，直接探测暗物质实验将遇到一个技术上的瓶颈。
计划于2026年运行的DARWIN实验将会是某种终结者式的实验，如果它无法探测到暗物质粒子，那么即使探测灵敏度进一步提高，也无法探测到暗物质粒子。因为在那样的灵敏度上，探测器将可以探测到来自太阳的中微子，这些中微子产生的噪声信号将会彻底地淹没暗物质粒子的信号。不过，这也许并非是完全无法解决的问题，如果能够设计建造有方向辨别能力的探测器，还是有希望把来自太阳方向的中微子产生的信号去除掉。
理论上，暗物质也可能在大型强子对撞机（LHC）[8]中产生。在对撞机里，高能粒子彼此碰撞，旧的粒子毁灭，从对撞中获取能量的新粒子诞生。如果对撞的能量高出暗物质粒子的能量，那么暗物质粒子就可能在对撞机中产生。暗物质粒子一旦产生，本身很难被探测到，但是它们会带走能量和动量，所以科学家可以通过分析碰撞后“丢失”的能量和动量来研究是否在碰撞中产生了暗物质粒子。
超对称理论曾经预言，每一个标准模型中的粒子，都应该拥有一个非常重的伴侣粒子，这个伴侣粒子的存在可以解释为什么我们目前找到的这些基本粒子质量正好在我们观测到的数值范围。这些超对称粒子中最轻的一个，正好应该在LHC可以企及的能量范围，很可能就是WIMP暗物质粒子的真身。
人们一度非常热切地寄望于LHC找到这个粒子，在早期的实验中，人们甚至看到了一些可能的迹象。不幸的是，随着数据的积累，这些最初的迹象归于尘土，渺然无踪。
再次回到天上
人们还远远没有穷尽在地球上探测暗物质的方法，更多精巧的探测实验和下一代的粒子对撞机也正在规划中。不过，决定在哪一个方向倾尽资源之前，人们也许需要再一次审视自己的理论动机。而在这方面，天体物理观测仍然可能在多个方面提供关于暗物质本质的线索。
一个有希望的窗口来自高能天文观测。如果WIMP粒子可以湮灭，那么在宇宙中暗物质富集的地方，例如银河系中心或者矮星系中心，就可能会产生大量源于暗物质湮灭的伽马光子。如果能够将这些伽马光子从其他天体物理机制起源的伽马光子（例如毫秒级脉冲星）中分开，研究者就有了暗物质存在的证据。
此外，暗物质的湮灭也会有可能产生高能正负电子对，由中国紫金山天文台领导的悟空（DAMPE）暗物质探测器就有可能探测到这些额外产生的高能电子，从而对暗物质的存在找到证据。
图3. 2010年，哈佛大学的Finkbeiner 和博士生苏萌，以及Tracy Slatyer 发现银河系中心有巨大的伽马射线和X-ray的泡状结构。一般认为这一结构中的Gamma射线主要并不起源于暗物质湮灭，但暗物质湮灭的信号很可能藏身其中。（图源：详见[9]）
天文学观测同样也为除WIMP之外的暗物质候选者提供线索。例如，2014年，人们分别在近邻星系和星系团中心发现了位于3.5 keV能量的X-ray发射线[10,11]，如果这一发射线的起源是暗物质的衰变，那就意味着宇宙中的暗物质很可能是一类被称作“惰性中微子”的粒子。理论上，这种暗物质粒子主导的宇宙会在形成小尺度天体结构方面和WIMP宇宙略微不同，前者形成的宇宙里几乎不会存在低于一千万太阳质量的暗物质团块。而这些暗物质团块的存在与否，也可以通过天文观测，例如强引力透镜，或者银河系内的星流扰动验证。这些天文方面的观测很可能无法完全确定暗物质粒子的真身，但会对于直接搜索实验提供有用的指导。
我们无法确定暗物质粒子何时才能够被探测到，但目前围剿暗物质过程中的挫折和困惑已经令物理学颇有获益。暗物质犹如一团迷雾，也许只是不经意间的一缕地底的辉光，就足以完全驱散这片薄雾，显现出一片崭新的物理大陆。
作者简介：李然，毕业于北京大学天文系，获理学学士学位（2006年）和博士学位（2011年）。其后在国家天文台从事博士后研究，现在为国家天文台星云计划研究员。主要研究领域：引力透镜，星系形成以及宇宙学。业余从事科普写作，已出版《漫步到宇宙尽头》一书。
往期回顾
· 专访Carlos Frenk，研究暗物质“温度”的宇宙学家 | 赛先生天文
参考资料
[1] 图片来源： NASA, ESA, STScI, and CXC; 科学团团队： 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实验: https://pandax.sjtu.edu.cn/;
DAMA实验: http://people.roma2.infn.it/~dama/web/home.html
XENON实验：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
文章头图及封面图片来源：sputniknews.com，版权归属：AFP 2019/HO/NASA
