暗物質 失落的宇宙：介於「存在」與「不存在」之間，一本書讀懂21世紀最重大的天文學難題

暗物質──被譽為21世紀的首席物理學難題，
數十年來，人們殫精竭慮研究，卻依然對它所知甚少……
暗物質既看不見、也觀測不到，科學家又憑什麼說它存在？

▎暗物質是什麼？　
有一類物質暗藏在宇宙中，既不發光、也不吸收、反射或折射光，不僅在沒有光的黑暗中看不到，在有光線的環境中也完全透明，同樣看不到。
這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質，就被稱為暗物質。

▎暗物質如何被發現？
1933年，天文學家費里茨·茲威基（Fritz Zwicky）驚奇地發現：大型星系團內的星系，具有極高、又難以理解的運動速度，單靠我們所觀測到的星系團引力作用，根本不可能束縛這些星系在星系團內的高速運動──除非在星系團中，還有「看不見」的物質產生了強大的引力。
此後，天文學家透過測量螺旋星系的旋轉速度、觀測重力透鏡、大尺度宇宙結構形狀，以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象，大膽猜想：宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過重力作用被感知的暗物質，而且約占整個宇宙物質總量的85%！

▎基本模型的困惑：「超對稱粒子」是暗物質粒子嗎？
基本粒子能被分為自旋為整數的玻色子（Boson），與自旋為半整數的費米子（Fermion），而將這兩類粒子聯繫起來的理論，就被稱為超對稱理論（SUSY）。
遺憾的是，多年來這種理論所預言的那麼多超對稱粒子，人們不禁要問：它們會不會是暗物質粒子呢？

▎暗物質的頭號嫌疑人：WIMP粒子
WIMP粒子，即大質量弱相互作用粒子（Week Interaction Massive Particle），是一種和普通粒子有弱交互作用、質量較大的假想粒子。

WIMP粒子是基本粒子嗎？
WIMP粒子本身之間有什麼樣的作用？
WIMP粒子與普通物質粒子之間，除了引力之外還有其他交互作用嗎？
如果有作用，是基本交互作用中的某一種呢，還是存在其他作用？

▎讓我們遨遊星際，尋找宇宙過去與未來的終極解答
本書旨在向讀者深入淺出、圖文並茂介紹有關「暗物質」的基本知識，了解暗物質的來由，並從實驗的角度出發，討論探測暗物質的原理。

本書，就是你暗物質旅程的第一站。

李金，五十多年來從事核反應研究；核爆炸輻射測量；核探測技術研究；高能粒子對撞機譜儀BES的研發、建造和升級；正負電子對撞物理實驗研究。同時是BES國際合作發言人，曾以訪問學者或客座教授身分在美國、日本、英國、法國等從事高能物理研究。近二十年從事微中子和暗物質實驗等前沿課題研究，曾發表科學論文和科普文章三百餘篇。

前言

人類借助於各種波段的電磁波，從極其短波長X射線、紫外線、可見光，再到無線電波，觀察和認識宇宙。然而，有一些物質既不發射任何波段的電磁波，也不與這些電磁波發生作用。這些用任何波段電磁波都「看」不見、而又暗藏在宇宙中的物質，稱為暗物質。

大約在八十年前，天文學家費里茨•茲威基（Fritz Zwicky）有一項驚奇的發現：大型星系團內的星系，具有極高、又難以理解的運動速度，單靠我們所觀測到的星系團引力作用，根本不可能束縛這些星系在星系團內的高速運動──除非在星系團中，還有「看不見」的物質產生了強大的引力。此後，天文學家透過測量螺旋星系的旋轉速度、觀測重力透鏡（gravitational lensing）、大尺度宇宙結構形狀，以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象，大膽猜想：宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過引力作用被感知的暗物質，而且所占比例很大（據計算，約占整個宇宙物質總量的85%）。

暗物質到底是什麼？它為什麼那麼詭異？它暗藏在宇宙中什麼地方？它在宇宙的形成和演化中扮演了什麼角色？暗物質是天體還是粒子？它們是否是我們已知的基本粒子？還是未曾發現的粒子？這些問題都對目前的天體理論與標準模型理論提出嚴峻的挑戰。

暗物質的探測與研究，具有跨領域的重大科學意義，它關係到我們對基本粒子和宇宙的構成、宇宙的演化以及基本交互作用的認知，是從微觀到宏觀的重大前沿課題。

然而，到目前為止，暗物質還只是基於天文宇宙觀察到的重力效應所推測出來的大膽猜想，並沒有直接的實驗探測到它的存在。要想真正探測到「看不見」的暗物質，就必須找到暗物質與普通物質之間所有的交互作用，並發展新的探測原理和新的探測技術，突破物理概念和理論。

本書在介紹暗物質的來由、宇宙中隱藏有暗物質的依據、探測和研究暗物質的科學意義的基礎上，著重描述探測暗物質粒子的實驗方略、探測暗物質的基本原理和技術、前仆後繼的探測活動和所採用的龐大而又複雜的探測裝置、實驗探測研究的進展、最新研究狀況以及未來前景。

這是一本通俗科普讀物，沒有過多的理論或定量說明，也沒有數學推導或分析表達式，盡量採用圖表或照片，以便於一般讀者閱讀。希望這本讀物有助於讀者對暗物質的基本概念略有理解，深入認識探測暗物質的含義與實驗方法，並能概括了解全球探測暗物質的實驗研究現狀和未來發展前景。

自序
前言
第1章 詭祕暗物質的由來
1.1 什麼是暗物質？
「暗」的廣泛含義
歷史上的「暗」物質事件
1.2 詭異的暗物質真的存在嗎？
不好理解的旋轉曲線
星體光被嚴重彎曲
奇特的大尺度星系團
子彈星系團的碰撞
宇宙中有多少暗物質？
1.3 可能的暗物質
暗物質天體
暗物質粒子
特別關注的WIMP粒子
1.4 為什麼要探尋和研究暗物質
暗物質與宇宙的生成與演變關係密切
夢寐以求的基本粒子
小結
第2章 暗物質的探測方略
2.1 暗物質粒子的基本性質
必須大膽猜想
暗物質粒子WIMP可能的性質
2.2 暗物質粒子的探測方略
兩種探測方案
三種探測方法
1．被動探尋方案
（1）直接探測
（2）間接探測
2．主動探尋方案
3．新物理的探尋
2.3 暗物質粒子WIMP的直接探測
暗物質粒子與原子核的碰撞
如何辨別暗物質粒子事件
1．單一事件辨別法
2．能譜測量法
3．年調製效應檢驗法
4．日調製效應檢驗法
對探測技術的挑戰
2.4 暗物質粒子WIMP的間接探測
暗物質粒子的湮滅
對間接探測技術的要求
2.5 人工產生暗物質粒子
小結
第3章 探測行動前赴後繼
3.1 尋找碰撞的直接探測
直接探測暗物質的手段
需要在很深的地下進行
必須進行極其嚴密的輻射防護
活躍在地下的暗物質探測實驗
1．收集光的探測實驗
2．收集電子的探測實驗
3．同時收集電子與聲子的探測
4．同時收集光子和聲子的探測
5．同時收集光子和電子的探測
3.2 尋找湮滅的間接探測
間接探測的基本設想
活躍在世界各地的探尋活動
1．高空探尋暗物質
2．太空探尋暗物質
3．地球表面探尋暗物質
3.3 人工產生暗物質的嘗試
世界上最大的強子對撞機LHC
在LHC上探尋暗物質
小結
第4章 找到暗物質粒子了嗎？
4.1 實驗證據的表述
4.2 暗物質粒子的跡象或證據
直接探測實驗
1． DAMA實驗找到年調製效應
2． CoGeNT（Ge）實驗發現能譜異常
3． CDMS組發現兩個可能的事例
4．CRESST發現不少難以解釋的事例
間接探尋實驗
1．ATIC發現電子通量超出
2． PAMELA發現正電子比例的異常
4.3 沒有看到任何「暗物質痕跡」
SuperCDMS實驗
XENON100實驗
太空實驗AMS02
對撞機LHC上探尋無果
4.4 目前還很難回答的問題
4.5 展望未來
更大規模的探測
更低能量的搜尋
採用更新的方法
擴展探尋的範圍
小結
附錄 在世界最深的地下尋找暗物質
5.1 CJPL開展的兩個直接探測暗物質的實驗
CDEX實驗
PANDAX實驗
5.2 CJPL的未來發展── CJPL-II未來可能的實驗
1． CDEX-II
2． JUNA
3． PANDAX-II
4．太陽微中子實驗
後語
參考文獻

1.1　什麼是暗物質？

我們知道，宇宙中有兩類天體：一類是像太陽那樣的發光的天體，在沒有光的環境中能被我們看到；另一類像月亮那樣，雖然不發光，卻可以反射或吸收光，在有光照的環境中也能被我們看到。但是人們發現，還有一類很詭異的物質暗藏在宇宙中，既不發光，也不吸收光、反射光或折射光，不僅在沒有光的黑暗中看不到，在有光線的環境中也完全透明，同樣看不到。這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質，被稱為暗物質，即暗藏在宇宙中的物質。
當然，這裡說的「光」不僅僅是指可見光，而是包括幾乎所有波段的「光」；這裡說的「看」也不僅僅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的現代望遠鏡或探測器的觀察。因此在暗物質的研究中，「暗」具有更為廣泛的含義。

「暗」的廣泛含義

「暗」的廣泛含義是什麼？更廣泛意義的「暗」，是基於更廣泛意義的「光」。光是什麼？光實質上是電磁波。科學家通常依據波長，把光（或稱電磁波）劃分為七個區段：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。天文和宇宙科學借助於各種電磁波天文望遠鏡觀測宇宙中的天體。今天的天文觀測幾乎涵蓋了所有波段的電磁波。但是，不同探測設備對各波段「光」的反應不同，看到的圖像也不同。可見光只能看到表面，而X射線可以看到內部。同樣，我們借助紅外光、紫外光和X射線分別看到了不同的宇宙。
由物理規律可知：①任何物體的溫度都不可能低於熱力學溫標的零度（相當於攝氏-273℃，用K表示）；②任何高於熱力學溫標零度的物體，都一定會有電磁波（或稱光波）輻射發出，只是輻射波長有所不同而已。這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。此外，物體還會與電磁波發生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我們能靈敏測量到所有波段的輻射光，宇宙中的任何物質都逃不過我們的觀察。
塵埃、恆星及黑洞，無一不在我們所能觀察到的波長範圍內。可以說，不論是從表面發出的還是從星球內部發出的任何波段的「光」，均逃不過人類的「火眼金睛」，人類已經可以全波段、全方位觀察整個宇宙。
然而不幸的是，暗物質既不發出任何波段的電磁波，也不和任何波段的光發生作用，它深深隱藏在宇宙中。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質，構成暗物質的基礎粒子，應該是暗物質粒子，大量暗物質聚集也可能形成暗物質天體。
這裡要注意，首先，暗物質不是我們通常講的黑物質，普通黑物質因為能夠吸收可見光而呈黑色，並非與可見光不發生作用。有人將尋找暗物質比喻成「在各種彩色豆中尋找黑豆」是不恰當的；其次，暗物質也不是黑暗中的物質。我們看不到黑暗中的物質是因為沒有光線，只能說明暗物質是「不發光的物質」，而無法證明「是否與光發生作用」。因此，把尋找暗物質比喻為「在暗室中尋找黑貓」也欠妥。應當說，暗物質是「既不發射任何波段的光、又對任何波段的光都絕對透明的物質」。某種意義上，暗物質類似於乾淨無瑕的普通玻璃，就像有時我們誤認為玻璃門沒有玻璃而撞到頭。（當然這僅僅是對可見光而言，普通玻璃強烈吸收紫外光，對紫外線就不透明了），我們尋找暗物質可以想像成在光線充足的明亮屋中，尋找不發光的絕對透明物體。