如何探测暗物质

郭红锋

暗物质真的“看不见”吗？目前科学家对暗物质的研究有哪些进展呢？原来，暗物质的所谓的“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论人们探铡什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射戮、伽马射线等，都看不到它。不过，虽然暗物质粒子与常规物质仅有微弱的相互作用，暗物质粒子也有可能被精密的实验仪器探测到。目前科学家采用的探测手段可以分为3类：一是探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用，称为“直接探测”;二是寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，称为“间接探测”;三是探寻粒子对撞机中人为产生的暗物质粒子，称为“加速器探测”。

直接探测

如果暗物质是由微观粒子构成的，那么每时每刻都应该有大量的暗物质粒子穿过地球。如果其中1个粒子撞击了探测器物质中的原子核，那么探测器就能检测到原子核能量的变化并通过分析撞击的性质了解暗物质属性。然而，对于弱相互作用重粒子来说，由于它们与普通物质之间的相互作用极其微弱，被探測器捕捉到的概率也十分微弱。为了最大限度地屏蔽其他种类宇宙射线的干扰，暗物质直接探测实验往往在地下深处进行。目前，全世界有数十个暗物质探测实验在进行，包括一些暗物质地下实验。其中，位于我国四川的锦屏暗物质地下实验室，作为世界上埋深最大的暗物质地下实验室，具有得天独厚的优势。

间接探测

既然在银河系中存在着大量的暗物质粒子，那么应该可以探测到它们湮灭或衰变所产生的常规基本粒子。间接探测就是在天文观测中寻找这种湮灭或衰变信号，包括宇宙线中的高能伽马射线、正负电子、正反质子、中子、中微子以及各种宇宙线核子。采取间接探测手段的实验可以利用卫星或空间站搭载的空间探测器直接收集宇宙线粒子，再通过高精度测量宇宙线的电子能谱，来寻找暗物质粒子湮灭的信号。2015年中国发射了暗物质粒子探测卫星“悟空号”，目前卫星在轨运行状态稳定，已获取了大量数据。

加速器探测

最后一种寻找暗物质的方法是在实验室里产生暗物质粒子。在高能粒子对撞实验中，可能会有尚未被发现的粒子包括暗物质粒子产生出来。如果对撞产生了暗物质粒子，由于其难以被探测器直接检测到，会导致被探测器检测到的对撞产物粒子的总能量和动量出现丢失的现象，这是产生了不可见粒子的一个特征。再结合直接或间接的探测手段，就可以帮助科学家确定对撞机中产生的粒子是否为暗物质粒子。