科學家再刷新暗物質探測靈敏度

本報記者 蔡姝雯 蔣明睿

《DK宇宙大百科》的前言裡曾說：洞察宇宙的身世，是人類智慧的驕傲。浩瀚的宇宙深邃又複雜，爲了一個基礎問題，無數科研工作者苦苦求索。近日發表於《物 理評論快報》的研究中，中國科學院紫金山天文臺研究員袁強和上海交通大學副教授葛韶鋒、教授劉江來、特別研究員周寧等合作提出暗物質直接探測實驗中的新周 日調製效應。什麼是暗物質？新週日調製效應的提出又有何意義？《科技週刊》記者採訪了袁強，請他爲我們進行解讀。

探測到暗物質粒子，將開啓新物理的大門

暗物質是相對於我們常說的普通物質，或者叫可觀測物質來說的，這種物質無法被人類直接看見或者觀測到。它是百餘年前天文學家通過觀測星體的運動推測存在的一種不發光的物質，它們通過引力效應影響天體的運動和宇宙的演化。

“普通的物質是由夸克和輕子等微觀粒子構成，科學家推測暗物質很可能是一種或多種超出標準物理模型的新粒子。”袁強告訴記者，暗物質的物理本質仍然不爲我 們所知，現有觀測結果表明宇宙中暗物質總質量爲構成恆星、星系等的普通物質質量的5倍左右。如此質量龐大的暗物質通過其巨大的引力塑造着宇宙的結構。因 此，探測暗物質粒子十分有必要，有望開啓新物理的大門。

實際上，對暗物質的直接探測實驗已開展了三十餘年，但目前爲止還沒有明確的信號被探測到。對暗物質的探測爲何這樣難？袁強介紹，探測到暗物質粒子指的是通 過儀器記錄下其所產生的物理效應，也就是相互作用。但暗物質和普通物質的相互作用非常微弱，很難在儀器中留下信號。要想探測到暗物質，需要儀器的規模很 大，精度很高。“更重要的是，每個實驗都有其靈敏範圍，暗物質產生的信號只有落在這個範圍內纔有可能被探測到，而這恰恰是目前最沒有把握的。”袁強說。

地球自轉幫大忙，發現新週日調製效應

基於一些理論推測，科學家提出一般有三種辦法來探測暗物質粒子，包括直接探測、間接探測和對撞機探測。

直接探測主要是試圖通過記錄被暗物質碰撞後的普通物質的運動來探測暗物質。袁強形象地將其原理比成打檯球，“暗物質就像是母球，雖然不可見，但可以通過觀測被母球撞擊後的檯球運動來推斷母球的性質。”

直接探測也有不足之處，受限於探測器閾值，通常直接探測實驗只能覆蓋有限的暗物質質量區間（一般大於質子質量），對於更低質量區間的暗物質現有實驗難以有 效覆蓋。近年來有學者注意到，星系中有大量的宇宙射線粒子，它們可以通過碰撞將部分暗物質粒子加速到很高的能量，這樣的話哪怕是輕質量暗物質也足以在探測 器中留下可觀的信號。袁強及其合作者對這個圖像產生了興趣並展開進一步的研究，很快他們就發現一個有趣的特徵，銀河系中心的暗物質和宇宙射線都顯著多於其 它地方，“根據此現象，我們推測被加速後的暗物質粒子應該大量地從銀河系中心的方向來，這是不同於常規暗物質探測實驗中各向同性事例分佈的新特徵。”

遺憾的是，目前的直接探測實驗都不具備測量方向的能力，沒辦法知道某個事例是來自銀河系中心還是其它方向，從而無法實現信號和背景的有效區分。就在這一研 究陷入瓶頸的時候，地球的自轉又“幫了一個忙”，他們發現，隨着地球的自轉，不同方向的暗物質粒子穿越地球的厚度會呈現週日（恆星日）變化，導致暗物質粒 子打到探測器上的概率產生週日變化，形成一個週日調製現象。“簡單理解，陰雨天也許我們看不到太陽的位置，但通過白天和夜晚的更替我們也可以知道太陽的存 在。”

該效應的發現，拓寬暗物質探測參數空間

袁強告訴記者，暗物質探測實驗中最難的兩個地方在於提高探測事例率和壓低背景，提高事例率只能通過增大探測器規模或者拓寬探測器閾值來實現，而壓低背景則需要尋找暗物質信號的獨特特徵。

新週日調製效應的發現正爲探測低質量暗物質提供了一種獨特的信號特徵，可以幫助更好地區分信號和背景，在不改變探測器配置的情況下只通過分析方法的改進便可以提高低質量暗物質的探測靈敏度，拓寬了暗物質探測的參數空間。

目前，國際上正在開展的數噸級的液氙直接探測實驗將顯著地提升暗物質探測靈敏度，新週日調製效應也將成爲這些實驗在低質量區間的重要目標之一。

我國對暗物質探測的實驗也正如火如荼地進行，目前在錦屏深地實驗室中運行有PandaX和CDEX兩個暗物質直接探測實驗，也發射了“悟空”號衛星進行暗物質間接探測。還通過國際合作利用阿爾法磁譜儀、大型強子對撞機等實驗開展了多種形式的暗物質探測。

袁強介紹，未來我國的直接探測實驗將往更大規模、更低閾值、更低背景等方向發展。“悟空”號團隊也正在設計研製下一代暗物質探測衛星“甚大面積伽馬射線天 文臺”。“此外，我國科學家也提出一些新型暗物質探測實驗方案，例如通過上海激光電子伽馬源探測暗光子粒子，通過精密原子磁測量探測軸子粒子等。可以說暗 物質的奧秘一天沒揭開，我們的探索就不會止息。”