暗物质发现简史(下)

迄今为止，科学家所做的任何实验都很难使人们相信暗物质的存在，暗物质的真实性仍然有待证实，几种暗物质的探测实验没有得出相同的结果，科学家相信，暗物质的特性比人们过去的理解和想象更加奇异而复杂。2008年，以空间探测为背景的PAMELA实验捕获了过量的正电子，如何给出合理的解释？过量的太空正电子产生于暗物质粒子的相互碰撞和湮灭。2013年，美籍华裔科学家丁肇中率领了一支科学团队，他们在AMS—02实验项目中同样发现了正电子过量的现象。

以国际空间站为背景的粒子搜索实验证实了太空正电子的大量存在，然而，科学团队很难确定过量正电子的源泉，它们可能来源于暗物质粒子的相互湮灭作用，也可能来源于在太空游荡的脉冲星。目前在黑暗地下室进行的暗物质探测实验有多个项目，诸如：CoGeNT，XENON，CRESST，CDMS，LUX和在中国四川锦屏地下深处开展的实验，以上的实验结果没有肯定或否定暗物质的存在，很有必要获取清晰的“暗物质图谱”，科学家已等待了很长的时间，更为精确的探测技术将帮助他们去完成科学的使命。

不清楚暗物质有哪些类型，物理学家构想了几种可能的暗物质粒子，其中最主要的候选对象被称为WIMP——弱相互作用的大质量粒子。根据物理学的超对称模型，物理学家预测了新型的暗物质粒子，已知的基本粒子可能伴随了未知的对称性粒子，有些科学团队搜索了可能的暗物质粒子——“轴子”。没有理由说明宇宙只存在单一类型的暗物质粒子。夸克、胶子和电子组成了可见物质，它们和“粒子动物园”中的其它粒子——光子、中微子和希格斯波色子通过自然基本力的作用共同构成了人类生命和宇宙天体的物质。

基本粒子构成了可见物质，它们占到了宇宙总成分的5%，暗物质和暗能量分别占到了宇宙总成分的23%和72%。可见物质占到宇宙总成分的很小比例，它们有多种多样的物质形态，暗物质占到宇宙总成分的很大比例，人们可以设想暗物质有多种多样的形态。暗物质粒子能否与暗电磁力结合为“暗原子”，以暗原子结合为“暗分子”？“暗物理学”可能成为未来的物理学。暗物质可能划分为重暗物质粒子和轻暗物质粒子，从暗物质模型预测了轻暗粒子存在的可能。

未来的5到10年，暗物质的发现进入了关键时期，但没有一位科学家十分肯定地表示，未来10年，科学家将抓住暗物质的“尾巴”，科学家在世界各地的实验室进行了一系列的实验，他们有可能在未来的10年揭开暗物质的神秘面纱。检测技术更新换代，越来越灵敏和精确的探测技术增加了暗物质粒子发现的机会。

科学家采用了多种暗物质发现的方法，其中主要有三种方法，第一是直接探测法，科学家通常在一个大型而安静的地下实验室设置了精密探测器，然后耐心等待暗物质粒子的光顾。敏感探测器被设置在深层的地下洞穴，排除了潜在粒子的干扰。利用有限资源建造几个最大、最敏感的实验室，探测能力被扩大到技术的边缘。

第二是间接探测法，通过对暗物质引力效应的观测，科学家寻找了暗物质的踪迹，大质量的物质星系和大质量的暗物质星系产生了“引力透镜”现象，通过引力透镜的观测手段，天文学家发现了“暗物质星系”。在卫星和国际空间站安装了暗物质探测器，科学团队陆续发现了过量太空正电子的异常现象，这些异常电子可能产生于暗物质粒子的相互作用。

第三是加速器生成法，大型强子对撞机是极为复杂、高能级的一部机器，两束粒子在对撞机内发生了高速对撞，从中释放的能量可能转化为暗形态物质。经过了定期维护和升级，大型强子对撞机的粒子分解能级得到了显著提升。高能机器可能揭示暗物质的行踪，科学家以实验手段“制造”暗物质粒子，从暗物质特性发现它们的存在，反之，从它们的存在发现暗物质特性。

搜索暗物质的三种方法没有先后与优劣之分，很难确定哪一种方法将帮助科学家发现理论预测的暗物质。加速器生存法也是直接的探测法。暗物质目前在人们的理解力之外，十分神秘的暗物质始终逃脱了科学团队的搜索。假设暗物质不存在，人们就会重新考虑引力属性，以“修正引力理论”描述暗物质现象。暗物质躲避了人们的搜寻，可以寻找其它的搜索方法。在寻找未知的暗物质过程中，人们对实验项目的“性价比”产生了一些担忧和质疑，暗物质探索是目前最重要的基础科学项目之一，对暗物质多途径的精确搜索推动了理论和应用物理学的发展，从中产生意外收获和价值难以估计。

（编译：2018-9-3）

邓如山 - 知乎