宇宙的幽灵:探索暗物质的前世

出品：新浪科技《科学大家》、未来论坛

主讲嘉宾：郁海波美国加州大学河滨分校物理与天文系副教授、未来论坛青创联盟成员

宇宙和世界上所有的事物都被分成许多小的物理范畴，包括宇宙学、天文学、生物力学、凝聚态物理、核物理和基本粒子物理。暗物质研究非常特殊。这是一门介于粒子物理学和宇宙学之间的科学，是一门跨学科的研究。

恒星的尺度大约是10到11次方米，数千亿颗恒星将形成一个星系，大约是10到21次方米。数千个星系可以形成星系团，其大小为10到23米。星系团是人类观察到的最大的自引力结构。所有星系团和时空加起来就是我们观察到的宇宙。

暗物质存在的最早证据来自瑞士和美国物理学家弗里茨兹维奇。他在20世纪30年代做了非常重要的工作。他做了什么事？他选择了一组星系进行观察。他发现星系团中星系的速度非常快。从上面找他的文章，我很感动。

为什么这么困难，因为你必须做世界上最好的实验，最好的结果，并建立世界上最敏感的探测器。实现这样一个目标是极其困难的。例如，如果你想净化气体，纯度非常高，非常高。我列出了上面的数字，在百分比的小数点后有8个零。达到这样的条件是极其困难的。

在直接探测之后，我们来谈谈对撞机的实验。世界上最大的基本粒子对撞机位于瑞士和法国的边界，被称为日内瓦郊区的大型强子对撞机。这幅画中画的圆是对撞机的轨道。对撞机以光速碰撞自身。根据爱因斯坦的狭义相对论，我们知道如果有质量，而粒子有质量，就不可能真正达到光速，但它可以非常非常接近光速。

因为在这个理论中，暗物质粒子带有弱相互作用，所以我们可以想象当你与两个质子碰撞时，有可能通过弱相互作用产生一个暗物质。但是这里有一个问题，因为在这个理论中，暗物质只携带微弱的相互作用，当你能产生它时，你就不会在探测器上留下任何痕迹。在古代中国，有一个人有很好的轻功，他叫“雪中无痕”，因为即使雪形成了，它也会从探测器中逃脱而不留任何痕迹，所以这是一件很难探测到的事情，我们需要想个办法。

这个方法也很简单。我们在高中学了物理。我们知道，对于一个过程，能量和动量在物理过程中是守恒的。因此，我们可以想象质子或夸克在碰撞过程中会放射出光子。因此，最后的信号是两个质子碰撞产生两个暗物质粒子，一个光子，光子，两个初始质子，动量和能量。通过能量和动量守恒，我们知道暗物质粒子是否是在这个过程中产生的。十年前我自己做了这项工作，我的建议被实验物理学家广泛采纳。

暗物质如何被间接探测的想法是，两个暗物质粒子会碰撞并湮灭，产生可见物质，如光子、电子等。因为我们的银河系生活在暗物质晕中，所以所谓的暗物质无处不在。如果湮灭过程能产生可见物质，我们就能探测到暗物质。

科学家们已经在各地建立了暗物质探测实验室。例如，美国科学家去南极制造了一个冰块探测器。怎么做？你在冰上挖一个大约2.5公里的洞，然后在洞里放一个探测器来探测什么？为了探测所谓的中微子，中微子粒子穿过冰层时会与冰层中的物质相互作用，间接产生光子，这些光子将被探测器接收。

上图是中国物理学家诺贝尔奖获得者丁肇中先生在国际空间站进行的实验。他把探测器放在国际空间站上。探测器可以探测电子和光子的信号。如果暗物质湮灭产生电子和光子，探测器将非常灵敏。

中国也有一个实验。南京紫金山天文台的常进教授带领悟空暗物质粒子探测卫星，探测器放置在卫星顶部。它还可以搜索高能电子和光子。如果暗物质粒子湮灭产生这些粒子，悟空的探测器可以探测到它们。

我们已经寻找暗物质粒子30到40年了，到目前为止，我们还没有在实验室里发现任何暗物质粒子的痕迹。暗物质存在的所有证据都来自天文和宇宙学观察。然后我在中国诗人白居易的《长恨歌》中找到一句话，可以很好地描述当前的情况。这句话叫做“在上面，他搜索了绿色的虚空，在下面，搜索了黄色的泉，但是无论在哪里，他都没有找到他要找的那个”。当科学家在寻找暗物质时，我们已经很长时间没有在天空或地球上发现它了。

当面对未知的宇宙时，人类不会放弃他们的探索努力，尤其是科学家，因为我们对宇宙的了解实在太少。我们只知道5%的粒子由可见物质组成，95%的宇宙是未知的，其中27%是暗物质。因此，我们将继续努力前进。我想在过去10年或未来10年或20年在四个重要领域取得突破。一个突破是理论上的突破。在过去的30到40年里，我们寻找暗物质的设计都是基于弱相互作用粒子的理论，所以现在我们应该拓宽视野。在天文学中，我们应该发展更高分辨率的天文观测来仔细研究恒星和气体的运动，并对暗物质的性质有更多的了解。从实验的角度来看，我们需要建造更大的探测器和更深的实验室。