互动科普

20世纪初以来，越来越多的科学观测证据表明，在宇宙中，我们已知的物质只占5％，剩下约25％来自暗物质，而约70％来自暗能量。可以说，暗物质和暗能量是21世纪最大的科学谜团。

之所以称为“暗”物质，是因为我们只能通过引力“感觉”到它，而“看”不到它。70多年前，瑞士天文学家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）通过观测星系团最早提出了宇宙中存在暗物质。兹威基研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团，他先测量了星系团中各个星系的亮度，通过已知亮度和质量的关系，得出了可以看见的星系团质量。接下来，他又测量了各个星系的公转速度以及它们到星系团中心的距离，通过牛顿引力定律计算出了星系团的总质量。这就类似于通过人造卫星的高度和公转速度可以计算出地球的质量。兹威基通过比较发现，引力质量比可见质量大了100倍。由于星系团中的星系具有极高的运动速度，其总的可见质量不足以约束星系成员。星系团的总质量必须是可见质量的100倍以上。也就是说，99%以上的质量是看不见的，我们只能通过引力“感觉”到它们的存在，兹威基就将这些质量称为暗物质。对其他星系团的观测也给出了类似的结果。

宇宙的成分图表

尽管兹威基的结果在刚发表时许多人并不相信，但此后越来越多的、来自不同实验观测的结果都间接证实了暗物质的存在。比如，和兹威基观测星系团同样的原理，通过观测星系中恒星的公转速度，也确认了星系中有大量暗物质存在。我们的银河系中暗物质总质量是可见物质（包括发光的恒星和不发光的星际气体物质等）的20倍。此外，还有引力透镜、星系碰撞和宇宙微波背景辐射等观测都间接证实了暗物质的存在。

到了今天，众多的观测结果对暗物质的候选对象有了一定的限制，但至于它到底是什么，还是个谜。我们知道它只参与引力作用，不是我们今天已知的任何一种粒子，它不发光，我们看不到它（不参与电磁相互作用），它的运动速度不能太快（是“冷”的暗物质），甚至它是不是粒子也还没有最终定论。关于暗物质究竟是什么，研究者曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物质模型，是所谓弱相互作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用，但是参与弱相互作用，同时质量比质子和中子大。WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有3个原因：首先，WIMP具有“冷暗物质”的各种性质，而且基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如，流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子，这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。也就是说，WIMP不是我们单单为解释暗物质凭空想象出来的，它有很强的理论背景。目前位于欧洲粒子物理研究所（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已经开始运行，它的一个重要目的就是要找这种WIMP。最后，WIMP具有弱相互作用截面，而按照统计物理的粒子退耦理论计算，WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值在同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型里。因此，目前大部分暗物质探测实验是针对WIMP设计的。

寻找暗物质困难重重

怎样寻找WIMP呢？有很多方法，可以在加速器上“制造”出来，也可以在天上寻找WIMP湮灭后产生的高能粒子。目前认为最可靠的一种方法是“直接”探测实验，即用一些高度灵敏的探测器来探测WIMP和探测器中原子核碰撞后的信号。只要暗物质粒子有弱相互作用，它就有一定几率与探测器内的原子核碰撞。由于WIMP粒子相当重，又以每秒几百公里的速度在银河系的暗物质晕中运动，因此在这一碰撞中，便可以传递几十千电子伏特（keV）的能量给被碰的原子，导致原子被电离、激发或产生晶格振动。形象地说，就是碰撞后会产生能用普通办法观测到的3种类型的信号：光、电和热。高灵敏的探测器就是要探测这些信号。碰撞事例的多少取决于暗物质的密度、质量、碰撞概率和探测器工作介质的质量。

直接探测实验非常困难，是一项非常有挑战性的工作，主要有两个原因，一个是信号太微弱，需要非常灵敏的探测器。另一个是WIMP信号太少，而其他噪声信号又太多，需要大海捞针似地把WIMP信号从噪声中挑出来。

信号太微弱，是因为WIMP和原子核碰撞传递的能量只有几十千电子伏特。而一般的傻瓜照相机拍一张照片，需要大约10¹²千电子伏特的光能量。也就是说，我们要造出比一般相机灵敏度高一千亿倍的“照相机”，才能“拍到”WIMP碰撞信号。

 WIMP碰撞过程图

WIMP只有在撞击到原子核上的时候，才能碰撞出光子，从而被探测到。而实际情况是探测器原子核之间的距离比示意图大得多。

WIMP信号太少，是因为WIMP只有弱相互作用，此时的引力相互作用可以忽略不计，只有在星系宏观尺度上才会被“感觉”到。它只和探测器中的原子核碰撞，而且碰撞几率非常小。用一个形象的比喻，我们要用渔网捕鱼，可是渔网编织得太“稀”了，网线有1毫米粗，而网眼却有1平方米那么大。碘化钠、锗、液氙等探测器物质中原子核的半径只有原子半径的千分之一，对于只和原子核碰撞的WIMP粒子确实是太稀了。更糟糕的是，要捕捞的“鱼”比1毫米还小，必须要接在网结上才能被“抓住”！根据目前银河系中暗物质粒子分布的间接观测结果，我们地球附近每升空气内大概有1个WIMP粒子，而每升空气中约有3×1022个原子！它们相对于太阳系的速度大约每秒230公里。如果我们有一个100千克的探测器，每天有大概2×1011（2000亿）个WIMP粒子穿过，可是和探测器内的原子核发生碰撞的不超过10个。同时，如果探测器摆在地面上，每天会有约100万个宇宙射线粒子（主要是其次级粒子m子）穿过并发生反应。同时，还有同样量级的来自自然环境的放射性粒子（主要是光子和中子）。我们需要从这上百万的事例中来寻找不超过10个WIMP信号。为了屏蔽宇宙射线，需要将探测器放入地下实验室，而且实验室越深，屏蔽宇宙射线的效果越好，实验灵敏度就越高。为了屏蔽自然环境中的放射性粒子，我们就需要建造放射性低的实验室，同时需要用低放射性的重金属（铜、铅等）和聚乙烯塑料等把探测器包裹起来。重金属可以屏蔽外界光子，聚乙烯塑料则屏蔽外界中子。同样，屏蔽效果越好，实验灵敏度越高。暗物质粒子由于只有弱相互作用，可以轻易地穿过屏蔽，WIMP碰撞事件不会受到影响。

（本文发表于《科学世界》2011年第3期）