暗物質是什麼？有多神秘？

上一篇推送我們給大家簡單介紹了神秘的「暗物質」，可能大家現在對它的印象還是「一片黑暗」，今天我們就來正經科普一下「暗物質」究竟是什麼。

引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用是人類到目前為止所了解最基本的四種相互作用。

那麼暗物質和這四種相互作用有什麼關係呢？

引力讓星繫結團，讓地球繞著太陽旋轉而不至於飛走，將我們束縛在地球上。電磁相互作用在我們的日常世界中的角色至關重要，它將原子、分子等束縛在一起，構成了豐富多彩的常規物質世界，而我們日常常見的壓力、摩擦力等都是電磁相互作用的具體表現。強相互作用讓質子和中子組成各式各樣的原子核，形成不同的元素。弱相互作用則發生在原子核反應當中，讓某種類型的原子核變成其它類型的原子核，它也是太陽能夠在幾十億年的時間內持續發光發熱的原因。

日常所見的由原子構成的物質都會參與電磁相互作用，然而，當代天體物理及宇宙學提供了越來越多的暗物質——即一種不參與電磁相互作用，從而不發射光也不吸收光的物質——存在的證據。

例如，天文學家研究了大量的漩渦星系的旋轉曲線，即這些星系裡面的恆星繞星系中心旋轉的速度和它們與星系中心的距離的關係。在同等距離下，恆星轉得越快，那麼星系質量越大。測量結果表明這些星系的質量遠遠大於裡面的明亮物質（即恆星加上星際氣體等）的質量。一個星系裡面有大量的物質是看不到的！

更加決定性的暗物質的證據來自宇宙學。在宇宙尺度上，科學家發現只有暗物質主導的平坦宇宙理論才能解釋觀測到的宇宙微波背景輻射的分布。2013年，歐洲航天局的Planck項目發表了迄今為止最精確的微波背景輻射數據，並給出了宇宙裡面的暗物質占宇宙的總質量密度的26.8%。與之對照的是普通物質僅僅占宇宙的總質量密度的4.9%——我們已知的宇宙僅僅是這個宇宙當中的一小部分！

暗物質的本質

既然我們知道了暗物質在宇宙裡面佔據了這麼大的比例，那麼我們就想要知道暗物質的本質是什麼。然而到目前為止，唯一可以明確的一點就：暗物質是無法用任何已知的基本粒子來解釋。

一種最為流行的猜想認為暗物質是一種參與弱相互作用的大質量粒子，即所謂的WIMP（Weakly Interactive Massive Particle）。而在超出標準模型的理論當中，最被人看好的超對稱理論也給出了WIMP的候選粒子，也就是說，WIMP是一種最有可能的暗物質候選粒子。更為重要的是，由於它參與弱相互作用，這表明如果其存在，是可以通過它和普通物質之間的相互作用來尋找其蹤跡的。目前所有的暗物質直接探測實驗的主要目標都是試圖找到這種傳說中的WIMP粒子。

如何尋找暗物質

那麼，到哪裡去尋找暗物質呢？天體物理的證據表明暗物質在銀河系裡面普遍存在。按照目前的主流觀點，銀河系的銀盤就嵌在一個球形的暗物質「暈」當中，這個暈的質量佔了銀河系總質量的95%以上。地球則和太陽一起，在這個暗物質的暈當中穿行。無時不刻，大量的暗物質就像暴雨一樣打在我們身上。換句話說，在地球上就能找到暗物質！

暗物質不參與電磁相互作用，這意味著無法使用任何波段的光來觀測它，也就是說，我們在地球上無法通過常規手段「看」到暗物質。幸運的是，傳說中的WIMP粒子參與弱相互作用，它們如果存在的話，能夠和原子核裡面的夸克發生碰撞，從而把一部分動能轉遞給原子核。這些能量又可能轉化為熱、光、或者電離信號，從而被探測器捕捉到。

尋找暗物質的方法有點像守株待兔。科學家用純凈的材料製作出一個大型的靶子，在微觀上，這個大型的靶子就像一系列的樹樁，暗物質WIMP從靶子中間穿過時，可能撞在「樹樁」上，從而產生信號，布置在靶子周圍的探測器會把這個碰撞給「拍攝」下來，就像公路上拍攝超速的攝像頭一樣。當然，發生碰撞的不僅僅是暗物質，其它的放射性本底也會發生碰撞。接下來，科學家就要藉助計算機的幫助，把真正屬於暗物質的碰撞給挑出來。

但這事有相當的難度。實際的計算表明，預言中的暗物質粒子和原子核發生碰撞的概率極其微小。按照目前的天文學數據進行估算的話，每秒鐘穿過一個人的身體的暗物質粒子有上億個，但是在一天之內，發生的碰撞平均還不到一次！

與此同時，來自地球外部的宇宙射線（主要是帶電的μ子）會穿過我們，環境中的放射性元素放出的各种放射線也會穿過我們，這些放射線每天會和我們身體內的原子發生的碰撞也超過一億次！兩相對比，在上億次的碰撞中挑出不到一次的暗物質碰撞信號，看上去是一個不可能的任務。

物理學家採取了一系列的辦法來減少來自宇宙射線和環境輻射的干擾。其中最重要的一種方法是將實驗裝置放到地底，讓岩石和泥土去阻擋宇宙射線。根據計算，每相當於1000米等效水深的物質，能夠讓宇宙線的強度降低到1/10。因此，將探測器放得越深，對宇宙射線本底的防護就越好。

PandaX實驗

PandaX實驗位於四川涼山州錦屏山的中國錦屏地下實驗室，其上方有2400米厚的岩石覆蓋。測量表明這裡面的宇宙線強度大概為每年每平方米有62個μ子穿過，僅相當於地平面的百萬分之一，其等效水深相當於6700米，從而提供了良好的宇宙射線屏蔽。

此外，就要想辦法來屏蔽實驗室環境中的各種輻射了。岩石中的鈾、釷等放射性元素和它們的衰變產物會產生α粒子、電子、中子和伽馬光子等放射線。物理學家使用高純度無氧銅、鉛、聚乙烯等物質來建造大型的屏蔽體，把絕大部分的環境放射性都阻擋在外面。此外，實驗中通常使用乾燥的氮氣吹到屏蔽體的內部，以降低從屏蔽體釋放出的放射性氡氣的濃度。

通過這些辦法，物理學家將宇宙射線和環境的本底信號控制在了可以接受的範圍之內。實驗裡面主要的本底信號就來自探測器和屏蔽體自身了。

值得指出的是，探測器所獲得的僅僅是碰撞信號，而不能確鑿無疑的告訴我們是什麼粒子發生了碰撞。暗物質信號和中子造成的本底是沒有辦法進行區分的，一小部分來自伽馬光子本底的碰撞的信號也可能具有暗物質碰撞信號的特徵。科學家唯一能做的就是利用大規模的計算機模擬把這些本底理解清楚，了解在探測器運行過程中本底可能產生多少碰撞事例。

PandaX實驗在整個一期的81天運行過程中，總共記錄了超過二千四百萬的碰撞事例，通過仔細的篩選和分析之後，最後在感興趣的區間內只找到了7個事例。模擬結果表明，PandaX經過這麼長時間的運行，其中預期有6.9個本底事例。這意味著我們沒有觀察到明顯超過預期本底的碰撞事例，換句話說，沒有找到WIMP。

現有的實驗沒有找到WIMP並非說明其不存在，而是表明，如果其存在，它與物質的相互作用比預期的更加弱。至少在目前為止，暗物質還有很大的生存空間。我們需要更大的靶子，運行更長的時間，以找到或者否認其存在。即將運行的PandaX二期實驗就將執行這樣一項任務。

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