暗物质探测器的内部
天文学家的观测告诉我们，宇宙中存在看不见的暗物质和暗能量，这些既看不见又摸不着的东西组成了暗宇宙，我们该如何找到它们呢？
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天文学家说暗物质存在
在《电脑报》47期《用“黄金瞳”来捕获“幽灵粒子”》中，我们知道根据粒子物理标准模型世界由原子构成，原子由夸克、轻子、胶子、光子、希格斯玻色子等更基本的粒子组成。而近几十年来，认知的边界再次向前推进，目前主流科学界认为由原子构成的物质只占宇宙总质量的4.9%，暗物质占27%，暗能量占68%。
在暗物质概念出现之前，伊壁鸠鲁、伽利略、米希尔、赛基、开尔文、庞加莱等众多先贤认为宇宙中有很多以当时技术手段无法看到的物质，并尝试做出计算。
1933年，天文学家兹威基用位力定理发现后发星系团中一千多个星系运行速度超过预期，即便把星系团中所有恒星和气体的质量都算上，产生的引力仍不足以维持星系以如此高的速度运转。他推测一定有大量看不见的物质在贡献引力，他将这种物质命名为“暗物质”。
暗物质女神 薇拉·鲁宾在用望远镜观测
1970年，鲁宾和福特用光谱仪对仙女座星系进行观测发现，星系中心和外围的恒星速度大致相同，但这样外围的恒星应该早就被甩出星系才对。到1980年，她已经发现一百多个有类似现象的星系，存在暗物质的观测证据不断增多。
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物理学家的努力
毫无疑问，星系中有什么东西像看不见的胶水一样，把星系们粘在一起。科学家们猜测有种与光和电磁场不相互作用，只能通过引力解释的暗物质。它肯定不是普通物质，无法归入目前已知的任何粒子，这个问题无法通过一般实验和观测得到答案。
1.大型地下氙暗物质探测实验
为了不受太阳等辐射源的干扰，美国桑福德地下研究中心把1480米深的废金矿改造成了一个纯净的实验环境。2013年，大型地下氙暗物质实验（LUX）启动，旨在寻找弱相互作用大质量粒子（WIMP，暗物质第一候选）。
假设WIMP真的存在，地球在暗物质晕中运动，有大量暗物质粒子会穿过地球，暗物质会与物质粒子之间存在弱相互作用。LUX用一个大铁罐子装上7吨冷却到-100℃的液态氙，万一WIMP刚好撞到一个氙原子，这颗原子高速穿行在其他氙原子间时，会激发周围原子发出荧光，罐体周围数千个光电倍增管会捕捉到这些闪光。
LUX原理示图
2016年，灵敏度更高的LUX-ZEPLIN项目取代了LUX。新探测器的结构类似洋葱，每一层要么阻挡外部辐射，要么跟踪粒子之间相互作用，以排除氡等物质引起的虚假信号。
2024年11月26日，LUX-ZEPLIN宣布在提高了5倍精度后，长期观测后仍然没能找到WIMP。只能确定WIMP的质量不超过9GeV/c2（千兆电子伏特/光速平方），作为对比，质子的质量略低于1GeV/c2。
2.冰立方
冰立方利用南极冰盖阻挡高能宇宙线
冰立方中微子天文台（IceCube）位于南极点附近的阿蒙森-斯科特南极站，这里的冰盖厚度能达到4000米至4800米，科学家用高压热水在冰层上打出86个直径60厘米，深度1450米到2450米的孔。把5160个光电倍增管等设备垂直埋进这些洞里面，组成一个一立方公里的大型探测器。冰立方的目标是观测来自宇宙中如超新星、伽马射线暴以及涉及黑洞和中子星的灾难性事件等，最暴力天文源产生的中微子。
研究人员认为，太阳用它的引力扫清了轨道上包括暗物质在内的所有物质，所有在地球上企图直接寻找WIMP的工作都是徒劳的。
厚厚的冰层阻挡了其他粒子
如果太阳中的两个WIMP相撞，它们湮灭时会产生一连串粒子，其中只有中微子能逃脱被吸收的命运来到地球，这种从暗物质湮灭中产生的中微子比其他途径产生的中微子能量更高，很容易把它们区分开来。
3.锦屏大设施
锦屏大设施包含多个实验室
中国锦屏极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施（锦屏大设施），位于四川锦屏山地下2400米深的隧道中，这里的实验室具有极低环境辐射、超低宇宙线通量、极低环境氡析出等多种优势，是暗物质研究的绝佳场所。
作为世界最大最深的地下实验室，这里的清华CDEX、上海交大PandaX（熊猫实验）、超低本底测量平台、核天体实验JUNA、锦屏中微子实验等多个实验室希望用不同方法寻找暗物质。
其中熊猫实验计划通过暗物质同电子的碰撞来寻找轻质量暗物质。他们的目标是将设备灵敏度提升到“中微子地板”（能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子信号），对WIMP模型做出决定性判断。
锦屏实验室中PandaX（熊猫实验）的探测装置
4.大型强子对撞机
大型强子对撞机（LHC）希望通过高能质子碰撞实验，寻找到暗物质粒子存在的间接证据。目前物理学家还没有发现除希格斯玻色子之外的任何新粒子。
5.在太空寻找暗物质
除中微子外，WIMP湮灭还会产生正电子，这种粒子适合在太空中观测。
2011年，阿尔法磁谱仪（AMS-02）被送上国际空间站。2013年，实验首批结果中确实出现了预期中超量的正电子，但还未能排除暗物质以外的来源。
2015年，暗物质粒子探测卫星“悟空号”（DAMPE）发射，它是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。“悟空”通过在太空中搜寻来自宇宙的高能原子核、电子（包括正电子）和伽马射线的信号，来寻找暗物质粒子的存在证据，并开展宇宙射线起源及伽马射线天文方面的相关研究。
03
天文学家也在找暗物质
物理学家寻找暗物质的尝试可以分为三类：直接探测，以普通物质作为靶粒子，比如LUX，用氙元素来寻找暗物质粒子与靶粒子之间的互动；对撞机实验，如大型强子对撞机，将两个普通物质粒子加速对撞粉碎，希望以此产生暗物质粒子；间接探测，如“冰立方”，希望通过暗物质与自身的相互作用产生出的可观测粒子来寻找暗物质存在的证据。目前，除了少数实验给出过模棱两可的疑似信号外，大部分实验都没找到暗物质。
或许人类的加速器不足以产生暗物质，或许太阳已经提前清空了轨道上的暗物质，实验设备再灵敏也探测不到。因此，通过天文观测在宇宙中寻找暗物质，成为寻找暗物质的第四种方法，天文学家也许会比物理学家更早寻找到暗物质。
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暗物质的候选粒子
暗物质究竟是什么，这个问题至今还没有答案。
多数人倾向于“冷暗物质”，如WIMP，这些非相对论性粒子的运动速度可能在498km/s至608km/s之间。
另一类假想的暗物质候是轴子和类轴子，轴子的质量比WIMP小，不是费米子，而是一种类似光子的玻色子。
自相互作用暗物质，这种假说预言费米子暗物质粒子之间应存在一种引力之外的自相互作用。
惰性中微子是“温暗物质”（介于热、冷暗物质之间）的候选者。它与中微子不同点在于它主要通过引力相互作用，其他时候相互作用的程度非常低。
另外还有人认为，暗物质实际上是在早期宇宙中形成的恒星级质量的黑洞。2017年发现的引力波，证明这个质量级别的黑洞数量比以前设想的要多一些，这种观点就更受欢迎了。
冷暗物质候选者
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暗物质也许不存在
当主流科学家在寻找暗物质的同时，还有一些人认为宇宙中不必存在暗物质和暗能量。
最近，加拿大渥太华大学拉金德拉·古普塔的理论能在没有暗物质前提下，解释某些宇宙学关键观测结果。他的理论描述了自然力如何随着时间的推移而减弱，以及光经过“长途旅行”会损失能量。
“在标准宇宙学中，宇宙的加速膨胀被认为是由暗能量引起的，但实际上是由于自然力在膨胀时减弱，而不是暗能量。”古普塔说。
截至目前，暗物质和暗能量身上仍然笼罩着重重迷雾。要想弄清宇宙的主要成分，我们需要更多的观测数据、更多的实验和更丰富多样的检验方法。
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编辑｜张毅
审核｜吴新
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