暗物质探测卫星“悟空”为什么要到天上去

　　导语：宇宙中分布着约68%的暗能量和27%暗物质，而我们看得见、摸得着的普通物质仅占5%，就如同深沉夜幕中几颗闪光的星星。为捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的痕迹，为寻找宇宙起源，科学家们一直都在尽力寻找这些夜空中最“暗”的星”。在SELF x 墨子沙龙的舞台上，暗物质粒子探测卫星首席科学家常进为我们讲述，探究暗物质粒子的科学历程。

常进 　　暗物质粒子探测卫星首席科学家 　　中科院紫金山天文台副台长

　　以下内容为常进演讲实录：

　　我叫常进，目前是暗物质粒子探测卫星的首席科学家。我向大家介绍一下空间探测暗物质粒子的一些情况。

　　从太阳系的边缘看地球，地球就像一颗太阳里的浮尘。银河系里大概包含了一千亿个这样的太阳，当我们从银河系里看太阳的时候，它根本连浮尘都算不上，是一个点。

　　银河系是一个棒旋星系，包括一根棒，两个大的旋臂，两个大的旋臂又分了好多小的旋臂。银河系里的太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年。在北京兴隆山上，有个LAMOST望远镜，它是我国目前最大的光学望远镜，通过测量大量的恒星光谱，得出太阳的速度是每秒240公里。太阳绕银河系中间转，转一圈需要2.3亿年，所以你这辈子都不可能绕银河系转一圈了。

　　我们知道，人造卫星绕地球转，离地球越近的时候速度越快，离地球越远的时候速度要慢下来。如果卫星在离地球很远的地方仍然保持高速，它肯定会跑出地球，飞进太阳系。

　　但是有一个很有趣的现象，银河系里的发光物质或者气体的分布，大概是10万光年这样的尺度。根据太阳和银河系中间发光物质的分布，科学家可以准确地把太阳绕银河系的速度计算出来，大概是每秒160公里。

　　但刚才我们提到，LAMOST观测到的太阳实际绕行速度不是160而是240公里，为什么太阳的速度这么快，却没有飞出去银河系呢？是因为太阳和银河系中间存在着大量我们还没看得见、看不见的物质，可能是暗物质。

　　我们测量银河系外围的星云也就是气体绕银河系转的速度，发现它的速度也在200公里左右。根据这些尺度、速度、距离，我们大概推断出银河系里的物质分布大概是发光物质分布的10倍，还有90%的东西是不发光的。

　　这是一个微波背景图像，也就是宇宙大爆炸38万光年以后，宇宙辐射冷却下来的一个图像。现在宇宙学进入精确宇宙学时代，测温度我们精确到零点几个毫K，也就是10^-6开尔文的变化。

　　图片里可以看到，有的地方红一点，有地方蓝一点，看上去相差很大，实际上是图片把它放大了，温度变化其实只有千分之一左右。这千分之一的变化，就表示了整个宇宙中的物质分布情况，有的地方分布得多，有的地方分布得少。

　　根据这张图，再结合刚才的旋转曲线、X射线观测、引力透镜的观测情况，总之有大量的天文观测，现在的最新结果表示，宇宙中我们只弄清了5%，还有95%是看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占26%点几，接近70%的是暗能量。

　　我今天重点讲暗物质。刚才讲了那么多天文观测结果，表明暗物质在宇宙中是肯定存在，但是暗物质的物理性质是什么呢？

　　人类到目前为止已经弄清楚，物质是由61种基本粒子组成的。前几年“上帝粒子”被发现了，但是这61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合，那么暗物质粒子必须具备什么性质呢？

　　长寿命、质量大，不参与强相互作用和电磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，现在还未被证实。这就是暗物质粒子探测这么热门的原因，也就是说，如果我们在暗物质方面取得一些突破，肯定在标准的物理学上也会取得突破。

　　61种基本粒子最难测出来的是希格斯粒子——上帝粒子。为什么它这么难探测？是因为不知道它的质量多大。

　　这里我讲一个故事。我有个朋友他现在已经退休了，希格斯粒子——上帝粒子上个世纪60年代提出来的时候，他当时正好是念高能物理的研究生，他的主要研究方向就是寻找希格斯粒子。

　　当时世界上认为，希格斯粒子在MeV（百万电子伏特）量级，认为在实验室就可以探测到——我们知道，核物理构成大部分在MeV。后来实验室并没探测到。有科学家认为，可能它在几十个MeV，接近GeV（十亿电子伏特），于是拿到加速器上去测。所以我这个朋友到斯坦福去做博士后，在斯坦福搞了5年还是没探测到，他认为希格斯粒子的质量可能在GeV以上，有十个GeV左右。

　　那时候，德国有一个最大的加速器就叫DESY。我们知道丁肇中先生诺贝尔奖拿到以后，也是在DESY做高能物理实验。在DESY加速器上找希格斯粒子，花了有10年时间还是没找到，于是认为希格斯粒子的质量可能在几十个GeV。那时候，最大的加速器已经搬到欧洲核子中心，也就是瑞士日内瓦和法国交界的地方，名字叫LEP对撞机。

　　我那朋友又在LEP上干了十几年，还是没有找到，认为希格斯粒子可能在100Gev以上。这时候更大的大型强子对撞机建好了，找到了希格斯粒子，但是他已经退休了。

　　到目前为止，我们还不知道暗物质粒子质量究竟多大，但是我们希望这样的故事不要在我们身上发生。我们努力工作，希望能够尽快找到暗物质粒子。

　　刚才讲了，暗物质在宏观分布上占宇宙的主要部分，但在微观密度上并不强，在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3个质子。这个数字比较抽象，比如地球这么大的体积装满了暗物质，大概只有几公斤，所以在地球附近找到暗物质是一件很难的事情。

　　那么怎么去探测暗物质粒子？有三种方法，第一种是在加速器上探测。加速器上通过高温粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子碰撞出来探测到它。

　　目前最大的加速器，也就是发现上帝粒子的LEP强子对撞机，对撞能量目前已经到了13个TeV（1000GeV），实际是14个TeV。可惜四五年下来了，暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。

　　第二种方法是地下直接探测法。让暗物质粒子与普通原子核碰撞，像打台球一样的，一个球撞另外一个球。暗物质本身不可见，但是暗物质碰撞另外一个球（原子核）以后，原子核会动，通过探测反冲原子核来探测暗物质粒子。

　　为什么放到地底下？因为球动的能量量级大概在KeV（千电子伏特）到MeV量级，而地面上这样的本底（环境中本身存在的）最多，尤其是宇宙射线，天上来的高能粒子轰击大气，产生的大量次级粒子也在这个能段里面。

　　所以为了屏蔽这一部分本底，必须把探测器放到地底下，放得越深本底会越低。我们国家将在锦屏山建立世界上最深的地下试验室，用来探测暗物质粒子，上海交大和清华大学都有实验在那儿做。

　　第三种方法是空间探测暗物质粒子。因为暗物质粒子来自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸刚开始的时候，暗物质粒子和暗物质粒子碰撞产生看得见的粒子，但是看得见的普通物质粒子碰撞全部产生暗物质吗？到目前为止，研究表明是不可能的，否则我们就不可能存在，因为物质都变成暗物质了。