看穿“暗物质”

“暗物质”，是一个有些人可能听过，但大部分人会感到陌生的名词。何为“暗”物质？暗，有黑暗的意思，但此处的黑暗并不是黑色，而是看不见。

暗物质并不被我们看见，那它是什么？

科学家推测，暗物质可能是由WIMP构成的，而WIMP这种粒子几乎不与可见的世界发生相互作用。因此，暗物质是孤独的。

在解释WIMP是什么之前，先来了解一下“看不见”的暗物质是怎么被发现的吧。

暗物质存在所造成的异常首先被天文学家们察觉——他们观测到宇宙中有异常运动，推测存在新的物质。虽然没有确切观测到，但这种物质被命名为“暗物质”（dark matter）。

虽然没有确切的“实锤”，但科学家们还是通过自然现象反推出了它的一些特质。比如：暗物质似乎是一片不可见粒子的海洋，它们充斥在空间各处，密度并不均匀，以及“不与其他东西相互作用”的属性。

接着，天文观测为我们确定了暗物质的总质量是普通物质的6倍。同时，天文学家们还发现星系和星系团全都被巨大的暗物质球包裹，并称之为“暗物质晕”。

而他们手中最令人信服的暗物质存在的证据之一，是著名的“子弹星系团”。子弹星系团是一对相撞的星系团，星际气体云撞在一起，释放出X射线，呈粉色；而暗物质的引力扭曲了背景天体的光，呈现蓝色。暗物质本身虽不为我们所见，却通过这种方式暴露了自己。

接着来看看构成暗物质的WIMP到底是什么吧。

WIMP是“Weakly interacing massive partide”的缩写，即“弱相互作用大质量粒子”。

这种粒子只通过弱核力发生相互作用，而且由于跟主宰日常生活的电磁力“绝缘”，因此是看不见的，也不会对普通粒子产生什么直接影响。遂此，WIMP可谓是完美的暗物质候选者。

值得一提的是，科学界还提出了一种比WIMP更“合适”的粒子——超级WIMP（Super-WIMP）。

既然称之为超级WIMP，那么它的许多特性与WIMP是相似的，只是超级WIMP与其他粒子并不会通过弱核力发生相互作用——只剩引力。

科学家们推测宇宙大爆炸后1纳秒诞生的WIMP可能是不稳定的，极可能在几秒甚至数天后，衰变成一类性的粒子——超级WIMP。并且他们认为，暗物质晕中心的密度应该就能揭示，构成暗物质的到底是WIMP还是超级WIMP。

只要确定了暗物质的身份，就确定了占宇宙四分之一的成分。至于如何寻找它，科学界提出了三种策略：湮灭、散射和产生。

“湮灭”是两个WIMP相撞时，会互相湮灭但留下其他一些粒子，如电子、正电子和中微子等。这种湮灭不常见，但哪怕极少一部分WIMP发生湮灭也会被捕捉到。目前利用这种方式探测的有国际空间站的阿尔法磁谱仪、日本的超级神冈，以及我国的暗物质粒子探测卫星DAMPE等。

“散射”是一种直接检测的方式。它利用的原理是：暗物质会从地球中穿过，并在极罕见的情况下撞到一个原子核，此时利用低温技术就可捕捉被撞原子核的弹跳。当然，这种策略只能在仪器的灵敏度上下功夫，毕竟哪一个暗物质粒子会穿过地球，穿过实验室的仪器，并恰好撞上那个原子核并不是我们能决定的。目前有DAMA（低温暗物质搜寻）、COGENT（相干锗中微子技术）和中国锦屏地下实验室等在做相关实验。

“产生”利用的是暗物质或许可以在粒子对撞机中产生的想法。它的原理是：既然暗物质可以湮灭成普通粒子，那它也就可以通过普通粒子的碰撞产生。暗物质产生的标志，是碰撞中似乎有能量和动量的消失。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机有做相关实验。

我们国家自己的暗物质粒子探测卫星（DAMPE）名叫“悟空”号。它是世界上观测能段范围最宽、能量分辨最优的暗物质粒子探测卫星，超过国际上所有同类探测器。发射它的目的是去太空寻找暗物质的存在证据，并探寻宇宙射线起源，观测高能伽马射线。

2021年，中国暗物质卫星项目团队公布科学成果，“悟空”基于四年半的在轨观测，绘出了迄今最精确的高能氢原子核宇宙射线能谱，并观察到能谱新结构。

同时，“悟空”号获得氦核宇宙线70GeV至80TeV能段的精确能谱测量结果并发现能谱新结构。这是国际上利用空间实验首次实现对10TeV以上能段氦核宇宙线能谱的首次精确测量。

“悟空”号已经大大提高了我国暗物质的探测水平。未来，期待我们能用悟空的“火眼金睛”发现更多的宇宙奥秘。