如何探測暗物質(zhì)

郭紅鋒

暗物質(zhì)真的“看不見”嗎？目前科學(xué)家對暗物質(zhì)的研究有哪些進展呢？原來，暗物質(zhì)的所謂的“看不見”，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說不論人們探鍘什么波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射戮、伽馬射線等，都看不到它。不過，雖然暗物質(zhì)粒子與常規(guī)物質(zhì)僅有微弱的相互作用，暗物質(zhì)粒子也有可能被精密的實驗儀器探測到。目前科學(xué)家采用的探測手段可以分為3類：一是探測暗物質(zhì)粒子直接與探測器中的物質(zhì)發(fā)生相互作用，稱為“直接探測”;二是尋找宇宙中暗物質(zhì)自身衰變或湮滅產(chǎn)生普通物質(zhì)的信號，稱為“間接探測”;三是探尋粒子對撞機中人為產(chǎn)生的暗物質(zhì)粒子，稱為“加速器探測”。

直接探測

如果暗物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的，那么每時每刻都應(yīng)該有大量的暗物質(zhì)粒子穿過地球。如果其中1個粒子撞擊了探測器物質(zhì)中的原子核，那么探測器就能檢測到原子核能量的變化并通過分析撞擊的性質(zhì)了解暗物質(zhì)屬性。然而，對于弱相互作用重粒子來說，由于它們與普通物質(zhì)之間的相互作用極其微弱，被探測器捕捉到的概率也十分微弱。為了最大限度地屏蔽其他種類宇宙射線的干擾，暗物質(zhì)直接探測實驗往往在地下深處進行。目前，全世界有數(shù)十個暗物質(zhì)探測實驗在進行，包括一些暗物質(zhì)地下實驗。其中，位于我國四川的錦屏暗物質(zhì)地下實驗室，作為世界上埋深最大的暗物質(zhì)地下實驗室，具有得天獨厚的優(yōu)勢。

間接探測

既然在銀河系中存在著大量的暗物質(zhì)粒子，那么應(yīng)該可以探測到它們湮滅或衰變所產(chǎn)生的常規(guī)基本粒子。間接探測就是在天文觀測中尋找這種湮滅或衰變信號，包括宇宙線中的高能伽馬射線、正負電子、正反質(zhì)子、中子、中微子以及各種宇宙線核子。采取間接探測手段的實驗可以利用衛(wèi)星或空間站搭載的空間探測器直接收集宇宙線粒子，再通過高精度測量宇宙線的電子能譜，來尋找暗物質(zhì)粒子湮滅的信號。2015年中國發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”，目前衛(wèi)星在軌運行狀態(tài)穩(wěn)定，已獲取了大量數(shù)據(jù)。

加速器探測

最后一種尋找暗物質(zhì)的方法是在實驗室里產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。在高能粒子對撞實驗中，可能會有尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子包括暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生出來。如果對撞產(chǎn)生了暗物質(zhì)粒子，由于其難以被探測器直接檢測到，會導(dǎo)致被探測器檢測到的對撞產(chǎn)物粒子的總能量和動量出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象，這是產(chǎn)生了不可見粒子的一個特征。再結(jié)合直接或間接的探測手段，就可以幫助科學(xué)家確定對撞機中產(chǎn)生的粒子是否為暗物質(zhì)粒子。