暗物质搜索简史|宇宙|引力|星系|暗物质|粒子|银河系

迄今为止，任何人所做的各种实验都难以使科学家相信他们发现了暗物质，假如暗物质真实存在，那么几种探索暗物质的实验将会得到同样的结果。暗物质探测十分困难，科学家普遍相信，暗物质的性质比过去的想象和预期有更多的奇异性和复杂性。2008年，以空间探测为背景的PAMELA实验捕获了过量的正电子，科学家为此给出了一种解释，太空中的过量正电子产生于暗物质粒子的相互碰撞和湮灭作用。

2013年，华人科学家丁肇中带领了一支科学团队，在AMS——02的实验中发现了同样的现象，以国际空间站为背景的粒子搜索项目进一步确定了正电子的存在，然而，很难确定过量的正电子产生于暗物质粒子的湮灭作用，正电子也可能来源于太空中游荡的脉冲星。在黑暗的地下场地进行了暗物质的探测实验，其中包括了CoGeNT，XENON，CRESST，CDMS，LUX和四川锦屏的地下深处实验项目，这些实验的结果没有肯定、也没有否定暗物质的存在。获取清晰的“暗物质图谱”是实验的关键，只能等待更长的时间，后续的更为精确的检测技术将帮助科学家去完成暗物质探测的使命。

不知道暗物质有多少类型，物理学家构想了几种可能性的暗物质粒子，其中最主要的候选对象是被称为WIMP——弱相互作用的大质量粒子，此外，根据理论物理学的超对称模型物理学家预测了一种新型的暗物质粒子，已知的基本粒子可能伴随了未知的对称性暗粒子，有些科学团队在搜索一种被称为“轴子”的暗物质粒子。人们找不出什么理由，以此证明宇宙中只存在一种类型的暗物质粒子，同样，人们也找不出合适的理由，以此证明宇宙暗物质的种类有多少。

宇宙中的可见物质由夸克、胶子和电子组成，它们和“粒子动物园”中的其它粒子——包括光子、中微子和希格斯波色子受到了自然基本力的作用，这些粒子共同构成了我们身体的物质和宇宙的所有物体。基本粒子构成了可见物质，它们占到了宇宙总成分的5%，其余的暗物质占到了宇宙总成分的23%，暗能量则占到了宇宙总成分的72%。可见物质仅占宇宙总成分的很小比例，却有多种多样的物质形态，宇宙中的暗物质占到了很大比例，人们同样可以设想，暗物质可能有多种多样的形态。暗物质似乎显得十分简单，然而，人们难以断定，暗物质粒子是否通过暗电磁作用结合为暗原子，或者暗原子可能结合为暗分子，暗化学可能成为未来的化学。除了重的暗物质粒子，科学家还在寻找轻的暗物质粒子，暗物质的理论模型预测了轻暗粒子的存在。

未来的5到10年是发现暗物质的重要时期，然而，没有任何一位科学家公开表示，今后10年将抓住暗物质的“尾巴”，一系列令人欣喜的实验在世界各地的实验室夜以继日地进行。科学家相信未来的10年有可能揭开暗物质的神秘面纱，主要是基于现代检测技术更新换代的考虑，探测技术的灵敏度和精确度不断提升，增加了暗物质粒子的发现机会。科学家掌握了各种探测暗物质粒子的方法，主要有三种方法，一是直接探测法，在一个通常是大型和极为安静的地下实验室，科学家采用了精密性的探测器，他们耐心等待暗物质粒子的光顾，敏感度极高的探测器被设置在深层的地下洞穴，可以防止其它潜在粒子的干扰。

科学家利用了有限的资源，建造了世界上几个最大和最敏感的实验室，探测能力几乎扩展到了探测技术的边缘。二是间接的探测法，观测暗物质的引力效应，寻找暗物质的踪迹，大质量物质的星系产生了“引力透镜”，科学家家利用引力透镜的技术手段发现了一些“暗物质星系”。安装在卫星和国际空间站的暗物质探测器陆续发现了过量正电子的异常现象，这些异常粒子可能产生于暗物质粒子的相互作用。

三是加速器生成法，大型强子对撞机是一个目前最复杂和能级最高的超大机器，两束粒子在对撞机内进行高速碰撞，释放出的能量可能转化为暗形态的物质。大型对撞机经过了定期的维护和升级，显著提升了“粒子分解”的能级，假如高能的实验机器揭示了暗物质的行踪，那么科学家实际上用实验手段制造了暗物质粒子。通过暗物质的特性发现它们的存在，反之，通过发现它们的存在了解暗物质的性质。三种搜索暗物质的方法没有先后和优劣之分，人们很难预测通过哪一种方法会首先发现暗物质的踪迹，加速器生存法实际上属于直接探测法。

暗物质可能在人们的理解力之外，过于神秘的暗物质始终逃避了科学家的搜索，或者是暗物质不存在，或者是重新考虑引力的属性，采用“修正引力理论”，重新描述暗物质现象。既然暗物质躲避了人们的搜寻，人们可以寻找新的搜索方法。暗物质搜索投入了大量的科研经费，人们对寻找未知暗物质实验的性价比产生了质疑和担忧，但科学家十分执着，一是因为暗物质探索是科学界普遍认同的最重要的基础科学项目，二是因为多途径的暗物质精确探索推动了理论科学和应用科学的发展，难以估计科学发现的意外收获和附加价值。

欧洲原子能机构（CERN）建造了大型强子对撞机实验室，从事基础科学研究的物理学家发现了希格斯波色子，欧洲原子能机构（CERN）的总干事长罗尔夫·霍培尔在被问及到下一个粒子的发现时，他不假思索地回答到，下一个优先寻找的粒子是暗物质粒子。暗物质粒子是科学家优选的粒子之一，主要的原因是暗物质在宇宙中的存在比普通物质更为普遍，暗物质的数量是普通物质的5倍，它们似乎以团块的形式在宇宙中漂浮，暗物质构成了宇宙大而全的“脚手架”，普通的可见物质依托于暗物质的框架，人们看到了外在的美轮美奂的宇宙星系。

科学家确认了暗物质的存在，却不能确定它们的性质，暗物质可能像普通物质一样由基本粒子组成。暗物质的概念周期性地出现在媒体报道中，好似外星人的概念时常出现在媒体的播报中，世界各地的实验室不定时地发布了某种潜在暗物质信号的消息，科学和媒体人士都在等待暗物质真正发现的时刻，几乎没有什么悬念，首先捕获暗物质的科学家将获得物理学诺贝尔奖。科学家至今没有发现所谓的暗物质，但是，他们早已发现了暗物质现象。

上个世纪三十年代，奥地利天体物理学家弗里茨·茨维基在后发座星系群中观测了一些星系的旋转，后发座星系团由1000多个星系组成，距离我们的地球为3亿光年，茨维基以星系发出的光线为参考估算了星系的总质量，他非常惊奇地发现，假如星系质量的估算是正确的，那么星系的总质量不能维持自身的运动，星系缺少了足够的物质引力，它们将会分崩离析。茨维基估计至少需要相当于星系总质量400倍的额外物质，才能维持星系的稳定，这种神秘兮兮的或看不见、摸不着的物质就是暗物质，这些暗物质构成了星系物质的主要成分，主要部分的暗物质和次要部分的普通物质共同构成了星系的总物质。

在次维基提出“暗”物质概念之后的一段很长时间，似乎不切实际的暗物质概念在很大程度上被忽略了。直到上个世纪的七十年代，美国天文学家维拉·鲁宾观测到了和茨维基的发现同样的现象，她仔细观测和分析了银河系邻居的仙女座星系中恒星的旋转速率，通常说来，星系边缘的恒星受到的中心引力较小，这些恒星在围绕星系中心旋转时速度会慢一些，星系中心附近的恒星受到了最大引力的拖拽，这些恒星在围绕星系中心旋转时速度会快一些，然而观测的结果不是如此，鲁宾感到困惑不解，星系边缘的恒星和星系中心的恒星几乎有同样的绕转速度。

天文学家鲁宾假定仙女座星系被弥散的暗物质包裹，在不同距离上的恒星将产生绕转速度的异常现象，暗物质的假设合理地解释了星系内恒星绕转速度的异常。银河系和仙女座星系的周围可能包围了一大圈的暗物质“晕”，其它的天文观测成果也证实了星系和光线在空间穿越时出现的异常速度，通过人们未知暗物质的引力属性解开了天文学家的疑惑。鲁宾和茨维基一样倾向于认同暗物质的存在，天文学家看不到暗物质的展现，却发现了暗物质的引力效应。不排除统计学的原因和其它替换性的解释，可能无需引入暗物质的概念，但是，任何可替换性的解释都没有得到观测结果的证实。

1998年，意大利的格兰·萨索山洞的暗物质探测器收集了有趣的实验信号，DAMA实验项目的意大利科学家探测到了某种疑似暗物质特征的粒子，它们的奇特之处在于分布密度的周期性变化，表现了年度性增减的趋向，每年6月达到密度峰值，每年12月达到密度低值，DAMA实验项目的意大利科学家联想到了天文学家正在竭尽全力寻找的暗物质“晕”。银河系被包裹了一层更大的暗物质“晕”，银河系内外充斥了暗物质“气体”，地球绕着太阳旋转，不断穿越了暗物质“晕”，同样，太阳系绕着银心旋转，不断穿越层层叠叠的暗物质“气体”。

DAMA实验项目的意大利科学家对暗物质存在的解释方式十分奇特，假如在半年之内地球绕太阳旋转的方向和太阳绕银河系旋转的方向相同，那么暗物质粒子的分布密度随之上升，反之，假如在半年之内地球绕太阳旋转的方向和太阳绕银河系旋转的方向相反，那么暗物质粒子的分布密度随之下降，地球和太阳的结合速率在两者的旋转方向一致时表现得更快，地球和太阳的结合速率在两者的旋转方向不一致时表现得更慢。

DAMA项目的实验数据似乎表明，地球和太阳在绕银河系的公转中可能穿越了暗物质晕的包层，然而，实验过程存在意想不到的漏洞，除了暗物质晕的设想，也有其它可能的解释，科学家目前不能确认地球和太阳在公转过程中穿越了太空的暗物质媒介。在意大利的格兰萨索进行的DAMA实验已被称之为DAMA/LIBRA，实验科学团队继续寻找一种粒子密度的年度增减现象。暗物质是目前科学界热门的科学搜索对象之一，世界各国有多个暗物质搜索项目，意大利的DAMA实验项目在地面进行，搭载在国际空间站的质谱仪和中国的“悟空”号暗物质卫星项目则在太空实施。