探索暗物質(zhì)屬性
——新物理的突破口

吳岳良

（中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

探索暗物質(zhì)屬性
——新物理的突破口

吳岳良

（中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

吳岳良江蘇宜興人，理論物理學(xué)家，中國科學(xué)院理論物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士。現(xiàn)任中國科學(xué)院大學(xué)常務(wù)副校長、中國科學(xué)院卡弗里理論物理研究所所長等職。主要從事基本粒子物理、量子場(chǎng)論及宇宙學(xué)的研究。

在過去的幾十年，人類對(duì)于整個(gè)宇宙的認(rèn)識(shí)取得了輝煌的成就。逐漸累積的大量天文觀測(cè)數(shù)據(jù)表明了大量暗物質(zhì)的存在。我們的宇宙中，已知的基本粒子只占整個(gè)宇宙的不到5%，約25%是不發(fā)光的通過引力效應(yīng)觀測(cè)到的暗物質(zhì)。但暗物質(zhì)的屬性是什么仍然是個(gè)未解之迷。描述微觀粒子相互作用和運(yùn)行規(guī)律的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大的成功，然而粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型里卻沒有暗物質(zhì)粒子的候選者。對(duì)暗物質(zhì)的研究將極有可能孕育出新物理的重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未來的基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展具有重要的影響。正因?yàn)槿绱耍壳笆澜绺鲊挤浅Ｖ匾晫?duì)暗物質(zhì)屬性的研究。我國在《國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》《國家“十一五”基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》等發(fā)展規(guī)劃中也都把暗物質(zhì)問題列為重要的科學(xué)前沿問題。科技部、中國科學(xué)院、教育部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)等相關(guān)部門都對(duì)暗物質(zhì)的探測(cè)和研究給予了高度關(guān)注和重視。

2010年科技部優(yōu)先啟動(dòng)了“973計(jì)劃”項(xiàng)目“暗物質(zhì)的理論研究和實(shí)驗(yàn)預(yù)研”前沿交叉課題，筆者作為該項(xiàng)目的首席科學(xué)家，通過該項(xiàng)目的實(shí)施，組織科研院所和大學(xué)的相關(guān)科研隊(duì)伍，凝聚國內(nèi)的優(yōu)勢(shì)力量，開展強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。該項(xiàng)目共設(shè)置6個(gè)子課題：1）由中國科學(xué)院理論物理研究所周宇峰研究員負(fù)責(zé)的暗物質(zhì)理論研究及相關(guān)新物理唯象；2）由中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)常進(jìn)研究員負(fù)責(zé)的暗物質(zhì)空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究；3）由中國科學(xué)院高能物理研究所楊長根研究員負(fù)責(zé)的暗物質(zhì)地下探測(cè)前沿技術(shù)預(yù)研；4）由中國科學(xué)院理論物理研究所蔡榮根研究員負(fù)責(zé)的暗能量理論研究和地面探測(cè)方案研究；5）由上海交通大學(xué)季向東教授負(fù)責(zé)的暗物質(zhì)噸級(jí)液氙探測(cè)器預(yù)研；6）由清華大學(xué)岳騫教授負(fù)責(zé)的高純鍺陣列暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)預(yù)研。該項(xiàng)目的特色和目標(biāo)是要充分利用理論研究與實(shí)驗(yàn)探測(cè)設(shè)計(jì)相結(jié)合和多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢(shì)，積極發(fā)揮理論的先行作用。突破探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探測(cè)方案設(shè)計(jì)，為開展對(duì)暗物質(zhì)的空間和地下探測(cè)、暗能量的精確測(cè)量等提供可靠的物理依據(jù)和可行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及有效的探測(cè)方案。同時(shí)，緊密結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，基于對(duì)稱性等基本原理和量子場(chǎng)論，建立自洽的超越粒子物理和宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型、能解釋暗物質(zhì)、暗能量的可能的機(jī)制和理論。

在“973計(jì)劃”和相關(guān)配套項(xiàng)目的支持和推動(dòng)下，我國的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)和理論研究均取得了重大進(jìn)展。一是在我國暗物質(zhì)研究力量方面，從弱到強(qiáng)建立了一支能夠進(jìn)行多學(xué)科交叉研究的理論和實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的年輕人才。二是在我國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)方面，從無到有形成了地下到空間的直接和間接暗物質(zhì)探測(cè)兩個(gè)大平臺(tái)，突破了一系列關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)。三是項(xiàng)目的實(shí)施促進(jìn)了理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，各課題之間開展緊密而又實(shí)質(zhì)性的交叉融合。四是形成了良好的學(xué)術(shù)氛圍，不僅促進(jìn)了項(xiàng)目內(nèi)部之間的合作交流，還推進(jìn)了國際合作交流，極大地提升了項(xiàng)目的創(chuàng)新能力和國際競(jìng)爭(zhēng)力。

尤其在暗物質(zhì)空間探測(cè)方面，研制了以硅陣列探測(cè)器和塑閃陣列探測(cè)器為徑跡探測(cè)器、BGO量能器為能量探測(cè)器的DAMPE暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。通過中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目的特別支持，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”已于2015年12月17日發(fā)射上天，成為我國首顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星，也是我國首顆科學(xué)衛(wèi)星。在暗物質(zhì)直接探測(cè)方面，從無到有，在四川錦屏山建立了我國第一個(gè)深部地下實(shí)驗(yàn)室。以清華大學(xué)為主的CDEX實(shí)驗(yàn)組從地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽體建設(shè)、20 g和1 kg質(zhì)量的原型探測(cè)器性能研究、10 kg高純鍺陣列探測(cè)器模擬設(shè)計(jì)、液氬低溫反符合系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)和建設(shè)、液氬反符合探測(cè)器原型性能研究和液氬探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)研究、暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和物理分析等多個(gè)方面開展了卓有成效的工作。實(shí)驗(yàn)組利用建成的1 kg高純鍺探測(cè)器開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究，在低質(zhì)量區(qū)取得了有國際影響的研究成果。PandaX實(shí)驗(yàn)組利用氣液氙兩相型時(shí)間投影室的技術(shù)來探測(cè)暗物質(zhì)。建造了一個(gè)容納450 kg液氙的探測(cè)器，得到了基于37 kg液氙的暗物質(zhì)探測(cè)結(jié)果。高能物理研究所實(shí)驗(yàn)組研究發(fā)展了惰性液體探測(cè)器、晶體探測(cè)器及過熱液滴氣泡探測(cè)等新技術(shù)。建造了液氬探測(cè)器模型，用于研究液氬探測(cè)器相關(guān)技術(shù)、改進(jìn)和創(chuàng)新探測(cè)器設(shè)計(jì)，為液氬探測(cè)器在研究新物理的應(yīng)用進(jìn)行預(yù)研。

在理論研究方面，中國科學(xué)院和高校的聯(lián)合課題組提出了解釋暗物質(zhì)的模型和機(jī)制，開展了針對(duì)PAMELA/ATIC/Fermi和AMS-02以及其他可能的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果的唯象分析和理論模型建立。發(fā)展了能統(tǒng)一解釋直接和間接實(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)果的理論機(jī)制，對(duì)暗物質(zhì)模型的增強(qiáng)機(jī)制及參數(shù)空間進(jìn)行了完整分析。針對(duì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)和設(shè)計(jì)，提供物理基礎(chǔ)和理論依據(jù)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，基于對(duì)稱性等基本原理和量子場(chǎng)論，建立超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的相關(guān)暗物質(zhì)理論模型。暗物質(zhì)理論研究為實(shí)驗(yàn)的開展發(fā)揮了重要的推進(jìn)作用，做出了具有國際影響的工作。

當(dāng)前暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和理論研究發(fā)展十分迅速。全世界暗物質(zhì)探測(cè)的實(shí)驗(yàn)多達(dá)數(shù)十個(gè)，國際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。中國已經(jīng)具備了比較充分的實(shí)驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)，有能力做出具有重要國際影響的工作。有理由相信，充分利用中國天時(shí)地利的優(yōu)勢(shì)，我們將會(huì)在未來的暗物質(zhì)理論和實(shí)驗(yàn)研究中取得更大的進(jìn)展。

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年 第5期 第1頁