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直接探测暗物质 马欣华 一、为什么相信有暗物质存在？ 系、星系团、引力 “暗物质”这个名字听起来有些神秘（其实还 透镜、宇宙大尺度 有听起来更神秘的“暗能量”，这超出了本文的范围。 结构的观测结果 暗物质、暗能量并称为漂浮在当代物理学及天文学 都表明，宇宙中大 上空的两朵乌云）。从字面上来看，和暗物质对应的 部分物质是暗物质。（不过还有另外的一个思路来 应该是“明物质”吧。虽然还没有人这么叫，但是 解释这些天文现象，就是修改引力理论，即 MOND ， 其实“明物质”是对已知物质形态的一个很简单明 本文暂不涉及这方面。） 了的形容，因为已知物质是由已知的基本粒子—— 天文观测表明，暗物质有质量，至少参与引力 夸克、轻子及其相互作用媒介子（包括光子、胶子、 相互作用，不参与电磁作用和强相互作用，可能有 Z 0 、W ± 以及尚未发现的引力子）——所构成的，这 弱的相互作用（与四大相互作用中的弱相互作用并 些基本粒子参与（或部分参与）四大相互作用—— 不相同），而且暗物质不是重子物质。到目前为止， 万有引力作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相 人们所了解的暗物质的性能特点就这些了，而且暗 互作用，比如能发光或者发电，或者作用、衰变后 物质参与的作用如此之弱以至于很难观测到，这就 的次级粒子能发光发电。光、电即电磁波和电流， 给予理论以弹性很大的想象与发挥空间。理论预言 实际是从宏观角度上说的，现代的探测器归根到底 的暗物质粒子类型让人眼花缭乱，不仅质量可轻可 都是测光信号、电信号以及信号组成的径迹。这样， 重，而且还可热可温可冷，即运动速度可以是相对 这些物质就都在“明”处了，即人们能在实验室里 论的、近相对论的或者非相对论的。热暗物质的候 用探测器（当然是由“明物质”构成的）探测到其 选者是中微子；温暗物质的候选者是 sterile neu- 存在或者曾经存在，这就是现代物理学的实验基石。 trinos 、gravitinos 和 axino ；冷暗物质的候选者是超 大家可以想出一些例子，比如居里夫妇发现放射性 对称模型预言的 neutralino 、轴子、类轴子粒子。 元素，卢瑟福测出原子结构，LEP 精确测量 Z0 、W± 二、怎样才能捉到暗物质？ 质量等。 既然暗物质粒子作用如此之弱，那么还有可能 而暗物质不同，它不是在实验室里对微观世界 抓到它吗？物理学家的信念是：暗物质粒子肯定不 进行研究时产生的概念，而是来自于天文学观测这 是孤家寡人，而是一定会和周围已知粒子发生作用， 一宏观领域，由兹维基（F. Zwicky ）早在 70 多年前 并且暗物质粒子的存在能够在已知粒子的存在、变化 就提出了。这似乎又回到了牛顿时代，牛顿正是从 形态上反映出来，作用再弱也一定能够被观测到。更 前人对太阳系活动的观测结果中发现万有引力定律 进一步的，物理学家相信可以用费曼图描述相互作 的。出个最基本的大学普通物理习题吧（做个积分 用，如图 1 所示，暗物质粒子可以和已知粒子产生未 马上见分晓）：在万有引力作用下，如果星系的质量 知的相互作用，三个箭头代表三种可能的反应过程： 大部分都集中在星系中心，那么一颗位于星系中心 1. 两个已知粒子碰撞产生两个暗物质粒子（向 以外的恒星绕中心旋转的速度随恒星到中心的距离