暗物质间接探测和对撞机探测实验现状*

姚道新，余钊焕,2，蔡成丰，王 青，张宏浩，方锡岩

(1.中山大学物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275；2.中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3.清华大学物理系，北京 100084)

迄今为止，关于暗物质存在的有力证据均来自引力效应，而对于它的粒子本质，我们知道得比较少，仅有如下几点。首先，暗物质粒子必定具有质量，否则就不会有这么大的引力效应；其次,不同于正常的发光物质，它不会发光，或者发出的光微弱到不能够被现有的仪器探测到,因而通常认为它不能与别的粒子发生电磁相互作用；再次，从宇宙结构形成理论出发推知，当暗物质脱耦时，它应该是“冷”的(非相对论性的)，即脱耦温度远小于暗物质粒子质量。

在目前理论研究中，最有可能是暗物质粒子候选者的一类粒子被统称为WIMP(Weakly Interacting Massive Particle，弱相互作用大质量粒子)，这类粒子很好地满足了上述几个要求，并能得出符合WMAP观测结果的暗物质遗迹密度[5-6]。在一些得到广泛讨论的新粒子物理模型中，经常存在着能作为暗物质粒子候选者的WIMP[5-6]。另一方面，由于这些新物理模型通常是为了解决标准模型在弱作用能标上的疑难而提出的，它们预言的新粒子的质量一般也比较接近弱作用能标，正好处于目前正在运行的强子对撞机LHC的能力范围之内。经过LHC的稳定持续运行，有可能在验证新物理模型的同时抓住暗物质粒子的线索。因此，暗物质的对撞机探测问题在当前物理前沿研究中也是很值得讨论的。

除了对撞机探测之外，暗物质的实验研究主要还包含两个方面，直接探测和间接探测。直接探测实验的关键在于寻找WIMP与通常物质原子核散射事例的信号，一般在地下实验室中进行。间接探测实验的关键在于寻找WIMP自湮灭(或衰变)过程中产生的产物粒子信号，需要从这些产物粒子的分布状况反推出WIMP的物理性质。最有可能找到这类WIMP信号的区域是暗物质集中分布且与地球距离较近的各种天体，包括银心、矮星系、银河系暗物质晕及其子结构、近邻河外星系及星系团等。总的来说，间接探测方法比较接近于天体物理研究方法，是直接探测实验的一种重要的互补性研究方法。本文主要关注当前的暗物质间接探测和对撞机探测。近年来，宇宙线和γ射线天文学的实验测量越来越精确，有利于对反常信号的搜寻。另一方面，LHC正在稳定运行之中，积累的数据越来越多，对新物理的研究有巨大的推动作用。

1 间接探测实验

如图1所示，如果天体中的暗物质粒子湮灭或衰变，很可能会产生一些粒子物理标准模型里面的粒子,如正反夸克、正反轻子、W±和Z0玻色子等等，这些粒子中的不稳定粒子会很快衰变，最终留下来的稳定粒子是正负电子、正反质子、光子、中微子等，这些稳定粒子加入到宇宙线中，可能会对宇宙线能谱产生可以察觉的影响。因此，对宇宙线的探测，特别是对在通常天体物理过程中产生较少的荷电反粒子、高能中微子和高能γ射线的探测，可能让我们间接地找到暗物质的线索，由此推断暗物质的粒子性质。

1.1 荷电宇宙线

图1 暗物质湮灭示意图

图2 各实验组测得的宇宙线正电子分数e+/(e++e-)

另外，ATIC、HESS和Fermi相继发布了对正负电子总能谱(e++e-)的高精度测量数据[11-14]，在能量100 GeV以上也都发现了明显的超出现象，如图3所示，实线是理论预期的能谱[10]。ATIC在300至800 GeV区间发现了一个明显的尖峰，800 GeV之后能谱急速下降。Fermi是空间探测器,实验误差比较小，它测得的能谱相对缺乏特征，在20至1 000 GeV的较宽能量范围内大致是一个E-3幂律谱，在高能端稍微变陡。在ATIC测到峰结构的地方，Fermi的能谱与之出入较大。HESS在TeV能量段观测到了与ATIC一样的能谱下降现象，而在400至800 GeV能量范围内的能谱介于ATIC和Fermi之间。

图3 各实验组测得的宇宙线正负电子总流强(e++e-)

这些在宇宙线能谱上出现的反常超出现象引起了理论界的关注，出现了许多解释这些超出现象的理论，其中，就不乏以银河系晕中暗物质的湮灭或衰变来解释的理论(如文[15-17])。但以暗物质解释这些能谱也存在一些需要克服的问题。例如，若用暗物质湮灭来解释正负电子能谱上的超出，得出的湮灭截面将会是得出暗物质遗迹密度正确值相应截面的102至104倍，因而需要构造特殊的理论使得湮灭截面在宇宙演化过程中增大(如文[18-19])。再如，各实验在正负电子能谱上观测到了超出，但在反质子谱上却没有，如果要用暗物质湮灭来解释，需构建模型使得暗物质粒子在与轻子有耦合的同时不能与夸克有耦合[20-21]。当然，暗物质并不是解释这些反常超出现象的唯一途径，比如，也可以用近邻脉冲星的效应来解释(如文[22-23])。

图4 用PAMALA反质子与质子比例/p限制暗物质湮灭示意图

1.2 γ射线

暗物质不能与光子有直接耦合，但其湮灭或衰变所生成的带电粒子却能够有效地产生γ射线。由于在星际空间中广泛存在着电磁场，带电宇宙线受电磁场影响，运动轨迹变得很复杂，因而在传播过程中丢失了来源信息。然而，γ射线基本上是沿直线传播的，更能完好地保留天体源的各种信息，对暗物质间接探测研究更加具有意义。自2008年上天以来，Fermiγ射线空间望远镜已经积累了3年多的数据，对银心、矮星系、银河系弥散源、河外星系、星系团等天体都收集了γ射线信息，为暗物质间接探测研究提供了广泛的空间。

1997年，EGRET探测器发现全天弥散γ射线在GeV能段存在超出现象[27]，可以用暗物质湮灭来解释[28]。但是，Fermi的弥散γ射线观测结果否定了这一超出现象的存在[29]，实验结果与理论预期基本上是相互吻合的。而且，根据Fermi(还有其它γ射线观测实验，如HESS)对银心、一些银河系近邻矮星系、一些星系团、河外弥散背景等一系列γ射线观测结果，适当考虑过背景源贡献及其不确定性之后，基本上都没有发现超出现象，反过来给暗物质性质给出很强的限制[30-35]，其中银心的γ射线观测对质量为10至1 000 GeV暗物质粒子湮灭率<σannv>的限制(某些湮灭道)已达到10-26cm3s-1量级。然而，用以解释正负电子超出的暗物质模型不能很好地满足Fermi的这些限制。

2 对撞机探测实验

图5 强子对撞机上产生WIMP对的同时伴随产生单喷注(左)或单光子/Z0(右)示意图

在对撞机上唯象研究这些含WIMP过程的方法大体上有以下一些步骤。第一步，假设WIMP与标准模型粒子间的相互作用形式，即图5中用圆圈表示的顶点的具体形式。第二步，确定要在对撞机上寻找信号的过程，用一些矩阵元计算工具(如CalcHEP/CompHEP，MadGraph/MadEvent)生成部分子水平上的相关费曼图、计算矩阵元模方和截面大小，再生成事例。第三步，用强子化模拟工具(如PYTHIA)将部分子水平上的产物强子化，模拟探测器上可测的信号。第四步，用探测器模拟工具(如PGS)模拟探测器的探测效率，从而得出最终的模拟探测事例。然后，用类似方法模拟背景事例之后，就可以与实验数据比较了。若有超出信号，则可拟合WIMP的质量和耦合常数等性质参数；若无超出信号，则可以对WIMP性质参数给出限制。

3 结 语

本文对暗物质间接探测和对撞机探测实验的最新结果和进展进行了归纳总结。由于篇幅限制，本文没有讨论暗物质的直接探测。对暗物质直接探测实验最新结果的讨论可参见文献[41]。相比于暗物质直接探测实验，暗物质间接探测与对撞机探测实验在原理、手段上都有很大不同，对暗物质粒子质量的敏感区段也很不一样。因此，交叉应用这三类实验的结果来研究暗物质是具有重要意义的。

在目前的间接实验结果上，宇宙线正负电子能谱具有明显的反常超出现象，有可能是暗物质所导致的。然而，由于各实验组给出的能谱有些不一致，并且天体物理背景还不能被完全确定下来，这些超出还不足以视作暗物质效应所致。另一方面，在宇宙线反质子能谱及一些γ射线观测中均未发现明显的超出现象，这对暗物质的性质给出了强烈的限制。对撞机探测方面，也没有明显WIMP信号的出现，同样对暗物质性质给出一些很强的限制。

宇宙线探测器AMS-02已于2011年5月升空，不久就会发布第一批数据。它具有良好的粒子鉴别能力，对宇宙线各成份的测量将达到前所未有的精度，有望为正负电子能谱的测量给出一个结论性的结果，促进暗物质间接探测的发展。另一方面，随着LHC未来几年的继续运行，暗物质的对撞机探测也将进入一个新的阶段。

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