讲课老师：岳骞，清华大学传授、 CDEX暗物质试验卖力人。

自17世纪初牛顿力学显现，到电磁学，再到相对论、量子力学，当代科学范畴显现了一个又一个里程碑，将人类的认知带到了前所未见的高度。这些前进看似是大师们的一挥而就，但现实上是由每一个科学家的研究点滴汇聚而成，从量变走到质变。

无论研究事情多繁忙，科学家们总盼望能在雷同世纪之交如许的紧张时候共聚一堂，好好梳理科学的最新进展，思索人类在茫茫真理大海中将来走向何方。

物理学的头号目的

21世纪初，美国一群物理学家就聚在了一路，商讨这100年物理学的待解困难。最终他们列了11项：

而在这一些世纪谜团当中，第一名是暗物质，第二名是暗能量。不但是在美国，在欧洲学界枚举的物理学六大待解困难里，暗物质同样位列榜首。中国科学家也把暗物质作为将来大概取得紧张突破的研究偏向。

由此可见，暗物质和暗能量是今世物理学头顶上名副实在的两朵乌云，也是如今最前沿的物理研究偏向。

固然，若真要认真想，我们身边实在还存在非常多我们答复不了的题目，如宇宙的劈头、生命的劈头等，这几百年来人类取得的科学发觉固然许多，但火线的未知更多。

现有模子的成与败

宇宙万物变化多端。差别种类的生命体，乃至统一种生命体之间，都存在着极其多元的外在样貌与内涵特性。但从物理学的角度来看，变化多端的物质，其根本组成都可以用一个简洁的粒子物理尺度模子形貌。

在粒子物理尺度模子里，6种夸克、6种轻子像是盖楼的砖块瓦片，而4种通报力的玻色子，则饰演着把砖瓦粘在一路的水泥的脚色。它们藉由差别的组合和作用机制，组成质子、中子、电子，再建构出差别的原子、分子以及全部更庞大的物质布局。

除此之外，粒子物理尺度模子中另有一种极其紧张的希格斯粒子，干系到夸克和带电轻子等粒子得到质量的机制。希格斯粒子是2012年被试验发觉的，提出希格斯机制的两位健在的物理学家是以得到了2013年诺贝尔物理学奖。

依附这个粒子物理尺度模子，我们广泛以为人类对宇宙（尤其已知物质）已经有了非常透彻的了解。许多物理学参数的盘算，都能准确到小数点后的许多位。而人类现有的科学技能险些都创建在它之上。以是，粒子物理尺度模子无疑黑白常乐成的。

然而，它也不完备。有一些征象它始终解说不了。也正是这些解说不了的征象，让科学家们把眼光投向逾越粒子物理尺度模子之外的更为宽阔的宇宙，提出暗物质存在的科学构思，鼓励着科学家们向着无穷的宇宙不停进军。

• 星系扭转

这一类围绕可见物质中间扭转的星系，我们称作漩涡星系。星系里的光明地区，代表着发光的一般物质。

我们知道，全部围绕中间扭转活动的物体，都必要有一股利巴它拉向中间。就像我们用一根绳索拽着悠悠球快速扭转，绳索一定对球施加拉力才气不使球飞出去，从而连结圆周活动。球转得越快，拉力就一定越大。

按万有引力定律，扭转星系中离扭转中间越远的天体应该转得越慢，即轨道速率越小。在太阳系里，玉轮围绕地球扭转、地球等行星围绕太阳扭转，都准确切合这个纪律。

然而，我们对一些更大标准的漩涡星系的观察却发觉，恒星的扭转速率特别地快，偏离了观察到的星系的光度质量联合万有引力定律给出的扭转速率，但是却还能连结星系的布局，没有往外飞散出去。这就意味着恒星的轨道内存在许多我们看不见，却又提供了引力的物质。

这些物质无法通过通例光学方法观察，无论是通过可见光照旧其他波段的光，包罗高山大学已往参访过的FAST，以及内蒙古锡林郭勒盟大草原上国度天文台明安图观察站的射电望远镜等等天文望远镜正在探测的电磁波信号，齐备都看不到暗物质。

• 子弹星云

依据广义相对论，大质量天体足以扭曲时空、拉弯光芒，导致引力透镜效应，影响我们观察到的深空景貌。科学家可以使用引力透镜的效应，推断在迢遥天体和观察者之间是否漫衍有暗物质。

这是一张闻名的子弹星云的照片。通过可见光、X射线和弱引力透镜效应去观察统一天区，可以得到如图中的很多亮点、中间紫色地区和两团蓝色地区等三幅差别的物质漫衍图。

引力透镜效应的阐发展现出：该地区物质最麋集的地区，现实上是在蓝色地区，而该地区发光物质并未几。这便是暗物质存在的一个非常强的天文观察证据。

• 大爆炸核合成

关于宇宙中种种元素的合成，没有暗物质的宇宙大爆炸模子，比力难明释现在天体物理学现实丈量到的氢、氦、锂等核素的原初品貌。

相反，假定了暗物质存在的大爆炸核合成理论，得出的推论却和试验观察相对较好的符合。这方面的理论和试验研究也从侧面支持了暗物质的存在。

• 暗物质的研究前沿

依据现在的研究，一般物质约占宇宙总质量的5%，暗物质约占27%——剩下的约68%，满是暗能量。

这里简洁提一下，暗能量不是物质。所谓物质一定参加引力相互作用，而暗能量提供的是一种雷同排挤作用的负引力，用来解说宇宙加快膨胀。至今，关于暗能量，人类的了解还非常初浅。

宇宙质量组成这些比例干系从那边来的呢？它们是从宇宙学、天体物理学等范畴的研究（如超新星发作、大爆炸核合成、宇宙微波配景辐射等）推算而来。

一些试验效果大概将物质和暗能量的比例限定在20-70%的区间，而另一些研究结果则大概要求10-40%；把多方面的试验团结起来阐发，终极就得到一个家人们广泛担当的宇宙质量组成。

固然，因为宇宙学观察研究的不停深入，这些数据还会相应随着改变。前些年家人们还广泛以为暗能量占宇宙质量的份额是73%，厥后随着更多试验观察效果的显现，现在家人们广泛担当暗能量占宇宙质量的份额为68%，暗物质质量份额也从23%改成了27%。

关于暗物质，现阶段我们还处于开端探究的状态。宇宙的全貌假如比作一片海洋的话，而我们人类碍于有限的了解和观看本领，差别的研究只是探究这片海洋的一小部门地区。

但也正由于云云，科学家们正试图用更富厚的本领、在更宽阔的物理空间中探测它，盼望配合拼砌出一个更完备的暗物质认知图像。天体物理学家普通从宏观或宇观的角度动身，而作为粒子物理学家的我们，则是从微观的角度探知这个天下。

暗物质的界说和假设

想研究暗物质，但又对它极其不相识，科学上的破题方法便是分别地区，渐渐给它创建界说。

起首，暗物质一定参加引力相互作用。 别的，暗物质不克不及参加电磁相互作用（如电与光效应）以及强相互作用（存在于核子里的作用力）——否则，我们早该找到它们了。

至于粒子物理尺度模子给出的四种相互作用中的最终一种力：按现有的理论，暗物质和一般物质之间有大概存在弱相互作用。这对粒子物理学家来说是个好的切入点，由于它许可了一个假设的弱相互作用历程，使得粒子物理学家可以对暗物质举行研究。

别的，暗物质一定拥有很长、很稳健的寿命。根据一些模仿盘算，暗物质在宇宙大爆炸早期就存在，并随着宇宙膨胀而慢下来，在宇宙的演化中饰演偏重要脚色。

于是，理论学家们就在如许一个开端的限定下构建了许多大概的理论出来。

固然，理论模子起首一定规律自洽，但除此之外，它们更必要担当试验的查验，既能解说已知的试验效果，又能猜测未知的宇宙征象。

颠末几十年的探究，差别的研究效果给出了对暗物质的差别限定，现在，暗物质研究聚焦到了几个家人们都比力承认的理论上。 此中，最主流的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子（WIMP，Weakly Interacting Massive Particles）。除此之外，轴子（Axion）的存眷度也比力高。

纵坐标：暗物质和一般物质产生相互作用的概率；横坐标：暗物质粒子的质量

从这张图可以看到，候选暗物质粒子的质量从微小的10-33GeV/c2，一起延伸到了极大的1018GeV/c2。相比之下，生命体的质量从最小的细胞（约1014GeV/c2）到最大的鲸鱼（约1032GeV/c2），改变范畴要窄得多。

这也意味着我们如今根本是在大海捞针，在这个庞大的暗物质参数空间里打捞暗物质，先只能一步步缩小暗物质大概存在的范畴。

关于暗物质，我时常会听到一些有味的候选者：

黑洞——黑洞有质量和引力，同时不孕育发生电磁波和光，根本餍足暗物质的要求。不外我们知道黑洞属于正常物质，只不外由于引力太强，导致光无法逃逸。就算把黑洞界说成一种暗物质，它也只是暗物质里很小的一部门。
中微子——它也根本切合暗物质的界说，但单就已知的通例中微子而言，它们同样不是暗物质的主体。不外惰性中微子如今还没有研究透，还存在变数。
反物质——反物质则跟暗物质完全不是一回事。反物质是一般物质，参加引力相互作用，一样参加电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。只不外和我们生存中的一般物质的根本构成单位相比，除质量雷同外，别的浩繁物理量，包罗电荷等恰好相反。

暗物质的寻寻找觅

有了好的题目，也拟好了公道的假设，下一步便是开展研究去找答案，题目是怎么找？

• 思绪1：亲身制造暗物质

依据爱因斯坦的质能方程，能量和质量之间存在转化的路径。

那么我们可以把组成一般物质的粒子加快，让它们带着极高的能量迎头对撞，进而孕育发生新的粒子；接着再从中检察是否存在暗物质的陈迹。

欧洲瑞法疆域上的LHC大型强子对撞机，采纳的便是这种方法。不外现在暗物质研究只是LHC的副业，它的主业在于查找雷同希格斯粒子的新粒子。（更多出色的技能详情，推举阅读环球瞩目标粒子对撞机，本来是在掷骰子？ ）

• 思绪2：间接探测暗物质

当宇宙中的暗物质相互碰撞，泯没的时间会化成一团能量，而这团能量，像前面提到的质能方程，大概转化成可见、可探测的一般物质。

那么我们可以探测太空中四面八方的粒子，从中捕获一些和我们对付空间粒子配景了解不符、特别的变乱或征象。这些特别纷歧建都跟暗物质有关，但我们也有大概从中查找到暗物质的线索。

丁肇中老师向导的阿尔法磁谱仪项目，便是在举行这项事情。我国常进院士向导的“悟空”暗物质卫星项目，也是在开展暗物质间接探测事情。

• 思绪3：直接探测暗物质

依据如今的理论和观察，银河系等漩涡星系中暗物质就像一片海，而可见的一般物质飘浮在这片海里，雷同于我们行走在氛围之中。

地球在银河系中运行的历程中，地球上的探测器中的靶粒子会和暗物质“相撞”，并从它们身上得到一点能量，而这个能量可以酿成电离信号也可以酿成热振动信号，或是闪耀光信号。

那么我们可以把暗物质粒子和一般物质相互作用后的种种参数（好比一般物质被暗物质粒子碰撞后得到的能量、反冲的偏向、反冲核数目等）都记载下来，从中统计纪律，再使用这些蛛丝马迹去一点一点拼集出暗物质的信息。

锦屏地下试验室中的“盘古”CDEX与“熊猫”PandaX团队，便是采纳这种要领。

不外这个要领存在一个条件——地球地点的银河系存在暗物质。

所幸的是，在银河系内，太阳系等天体围着银河系中间绕转的速率同样不切合牛顿力学。这就意味着太阳的绕转轨道里大概存在着暗物质，也便是银河系中存在暗物质。

固然，也有人给在地球上开展的暗物质直接探测试验泼冷水：“只管银河系中大概有暗物质，但暗物质漫衍大概存在雷同于肺泡的空洞布局，而太阳系恰好处于一个空洞中。如许的话，你们苦苦谋划很永劫间，到头来大概只是白忙一场。” 这个说法大概是对的，但对付科学家来说，暗物质大概不存在，但在试验确认之前，我们一定去找。

科研的愚公移山

换个角度想，现在绝大多数暗物质理论假设了暗物质和一般物质之间存在弱相互作用。假如假设错了，粒子物理学家产前的事情是否都白干了？

我以为不是的。假如研究效果证明前面的假设错了，也会推动科学家提出更多更新的理论，开展更精致更深入的试验研究。 21世纪初，我刚开始做暗物质研究时的一些理论，随着新试验效果不停出来，不少理论已经被证伪了。

固然科学家也会不停提出更多的新理论出来。全部的理论，终极都必要通过试验证明其精确性。证伪与证明、有效果和没效果，在科学上实在都是故意义的效果。 并且在这个历程中，我们另有其他的劳绩。

至于是哪一些劳绩，敬请存眷下一篇锦屏地下试验室相干内容。

*以上依据岳骞于2020年10月22日在高山大学四川锦屏山站的部门课程内容整顿而成，经老师考核后公然公布。

※作者 | 岳骞
※整顿 | 邱施运
※编辑 | 朱珍