如何探測暗物質

郭紅鋒

暗物質真的“看不見”嗎？目前科學家對暗物質的研究有哪些進展呢？原來，暗物質的所謂的“看不見”，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說不論人們探鍘什么波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射戮、伽馬射線等，都看不到它。不過，雖然暗物質粒子與常規物質僅有微弱的相互作用，暗物質粒子也有可能被精密的實驗儀器探測到。目前科學家采用的探測手段可以分為3類：一是探測暗物質粒子直接與探測器中的物質發生相互作用，稱為“直接探測”;二是尋找宇宙中暗物質自身衰變或湮滅產生普通物質的信號，稱為“間接探測”;三是探尋粒子對撞機中人為產生的暗物質粒子，稱為“加速器探測”。

直接探測

如果暗物質是由微觀粒子構成的，那么每時每刻都應該有大量的暗物質粒子穿過地球。如果其中1個粒子撞擊了探測器物質中的原子核，那么探測器就能檢測到原子核能量的變化并通過分析撞擊的性質了解暗物質屬性。然而，對于弱相互作用重粒子來說，由于它們與普通物質之間的相互作用極其微弱，被探測器捕捉到的概率也十分微弱。為了最大限度地屏蔽其他種類宇宙射線的干擾，暗物質直接探測實驗往往在地下深處進行。目前，全世界有數十個暗物質探測實驗在進行，包括一些暗物質地下實驗。其中，位于我國四川的錦屏暗物質地下實驗室，作為世界上埋深最大的暗物質地下實驗室，具有得天獨厚的優勢。

間接探測

既然在銀河系中存在著大量的暗物質粒子，那么應該可以探測到它們湮滅或衰變所產生的常規基本粒子。間接探測就是在天文觀測中尋找這種湮滅或衰變信號，包括宇宙線中的高能伽馬射線、正負電子、正反質子、中子、中微子以及各種宇宙線核子。采取間接探測手段的實驗可以利用衛星或空間站搭載的空間探測器直接收集宇宙線粒子，再通過高精度測量宇宙線的電子能譜，來尋找暗物質粒子湮滅的信號。2015年中國發射了暗物質粒子探測衛星“悟空號”，目前衛星在軌運行狀態穩定，已獲取了大量數據。

加速器探測

最后一種尋找暗物質的方法是在實驗室里產生暗物質粒子。在高能粒子對撞實驗中，可能會有尚未被發現的粒子包括暗物質粒子產生出來。如果對撞產生了暗物質粒子，由于其難以被探測器直接檢測到，會導致被探測器檢測到的對撞產物粒子的總能量和動量出現丟失的現象，這是產生了不可見粒子的一個特征。再結合直接或間接的探測手段，就可以幫助科學家確定對撞機中產生的粒子是否為暗物質粒子。