暗物质与暗物质探测 – 星明天文台

✦+

作者|高孟嘉

审核|丁乙

编辑|刘蜜

早在20世纪30年代，天文学家们就已经意识到宇宙中存在着某种“看不见的物质”。这种看不见摸不着的物质被称作暗物质（Dark matter）。近年来，随着探索的不断深入，暗物质理论日渐成熟。虽然现有的大量天文观测已经表明了暗物质在宇宙中确实存在，但是我们仅可以探测到它们的引力效应。在此基础上，暗物质主要性质逐渐为人们所知：暗物质几乎不参与电磁与强相互作用，几乎只有引力效应可被探测；暗物质可长期高度稳定存在，其寿命可与宇宙的年龄相当；暗物质运动速度远低于光速，不会因运动速度过快而破坏天体结构的形成。

子弹星系团，被认为是暗物质存在的证据之一（图片来源：维基百科）

科学家们对暗物质的理论候选体有多种猜测, 从一开始大家认为的原初黑洞到后来提出的“非常轻”的基本粒子，暗物质的候选体经历了一个漫长而复杂的过程。最终,一种被称为“弱相互作用大质量粒子”(weakly interacting massive particles, WIMP)的粒子脱颖而出，成为公认的最可能构成暗物质的候选体。虽然关于“弱相互作用大质量粒子”的认识仍然停留在理论阶段，但我们还是能推断出它具有以下几点性质：首先，它们不参与电磁力作用和强核力作用；第二，它们只通过弱核力和引力产生相互作用；第三，它们的质量与普通粒子相比较大，运动的速度相对缓慢。

当前，探测WIMP暗物质粒子的探测方法可分为三类, 即直接探测、间接探测和实验探测（对撞机探测）。首先，在直接探测中，物理学家可以通过放置在地下实验室的探测器直接探测WIMP暗物质粒子；其次，在间接探测中，可以通过地面或太空望远镜对WIMP暗物质粒子湮灭产生的其他粒子来间接探测；第三，在实验探测中，大型强子对撞机或者未来的国际直线加速器的建设，将会人工创造出新粒子来，其中可能包含WIMP暗物质粒子的信息。

欧洲大型强子对撞机在法国境内地下的部分设备（图片来源：维基百科）

近年来，我国科学家也积极参与到了暗物质的探测实验中。

中国暗物质实验（China Dark matter Experiment, CDEX）是国内首个暗物质直接探测实验。CDEX实验放置在中国锦屏地下实验室（China JinPing Underground Laboratory, CJPL），它也是世界上最深、最大、宇宙线通量最低的实验室。科学家希望利用实验室中吨量级高纯锗探测器直接探测暗物质。

中国锦屏地下实验室示意图（图片来源：观察者网）

暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer, DAMPE）又名“悟空”号，于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射，其主要科学目标就是通过在空间观测高能宇宙线和伽马射线来间接研究暗物质粒子的性质。DAMPE卫星于2016年3月正式开始科学运行, 迄今已平稳运行超过5年时间, 获得了大量的科学数据。