暗物質發現簡史(下)

迄今爲止，科學家所做的任何實驗都很難使人們相信暗物質的存在，暗物質的真實性仍然有待證實，幾種暗物質的探測實驗沒有得出相同的結果，科學家相信，暗物質的特性比人們過去的理解和想象更加奇異而複雜。2008年，以空間探測爲背景的PAMELA實驗捕獲了過量的正電子，如何給出合理的解釋？過量的太空正電子產生於暗物質粒子的相互碰撞和湮滅。2013年，美籍華裔科學家丁肇中率領了一支科學團隊，他們在AMS—02實驗項目中同樣發現了正電子過量的現象。

以國際空間站爲背景的粒子搜索實驗證實了太空正電子的大量存在，然而，科學團隊很難確定過量正電子的源泉，它們可能來源於暗物質粒子的相互湮滅作用，也可能來源於在太空遊蕩的脈衝星。目前在黑暗地下室進行的暗物質探測實驗有多個項目，諸如：CoGeNT，XENON，CRESST，CDMS，LUX和在中國四川錦屏地下深處開展的實驗，以上的實驗結果沒有肯定或否定暗物質的存在，很有必要獲取清晰的“暗物質圖譜”，科學家已等待了很長的時間，更爲精確的探測技術將幫助他們去完成科學的使命。

不清楚暗物質有哪些類型，物理學家構想了幾種可能的暗物質粒子，其中最主要的候選對象被稱爲WIMP——弱相互作用的大質量粒子。根據物理學的超對稱模型，物理學家預測了新型的暗物質粒子，已知的基本粒子可能伴隨了未知的對稱性粒子，有些科學團隊搜索了可能的暗物質粒子——“軸子”。沒有理由說明宇宙只存在單一類型的暗物質粒子。夸克、膠子和電子組成了可見物質，它們和“粒子動物園”中的其它粒子——光子、中微子和希格斯波色子通過自然基本力的作用共同構成了人類生命和宇宙天體的物質。

基本粒子構成了可見物質，它們佔到了宇宙總成分的5%，暗物質和暗能量分別佔到了宇宙總成分的23%和72%。可見物質佔到宇宙總成分的很小比例，它們有多種多樣的物質形態，暗物質佔到宇宙總成分的很大比例，人們可以設想暗物質有多種多樣的形態。暗物質粒子能否與暗電磁力結合爲“暗原子”，以暗原子結合爲“暗分子”？“暗物理學”可能成爲未來的物理學。暗物質可能劃分爲重暗物質粒子和輕暗物質粒子，從暗物質模型預測了輕暗粒子存在的可能。

未來的5到10年，暗物質的發現進入了關鍵時期，但沒有一位科學家十分肯定地表示，未來10年，科學家將抓住暗物質的“尾巴”，科學家在世界各地的實驗室進行了一系列的實驗，他們有可能在未來的10年揭開暗物質的神秘面紗。檢測技術更新換代，越來越靈敏和精確的探測技術增加了暗物質粒子發現的機會。

科學家採用了多種暗物質發現的方法，其中主要有三種方法，第一是直接探測法，科學家通常在一個大型而安靜的地下實驗室設置了精密探測器，然後耐心等待暗物質粒子的光顧。敏感探測器被設置在深層的地下洞穴，排除了潛在粒子的干擾。利用有限資源建造幾個最大、最敏感的實驗室，探測能力被擴大到技術的邊緣。

第二是間接探測法，通過對暗物質引力效應的觀測，科學家尋找了暗物質的蹤跡，大質量的物質星系和大質量的暗物質星系產生了“引力透鏡”現象，通過引力透鏡的觀測手段，天文學家發現了“暗物質星系”。在衛星和國際空間站安裝了暗物質探測器，科學團隊陸續發現了過量太空正電子的異常現象，這些異常電子可能產生於暗物質粒子的相互作用。

第三是加速器生成法，大型強子對撞機是極爲複雜、高能級的一部機器，兩束粒子在對撞機內發生了高速對撞，從中釋放的能量可能轉化爲暗形態物質。經過了定期維護和升級，大型強子對撞機的粒子分解能級得到了顯著提升。高能機器可能揭示暗物質的行蹤，科學家以實驗手段“製造”暗物質粒子，從暗物質特性發現它們的存在，反之，從它們的存在發現暗物質特性。

搜索暗物質的三種方法沒有先後與優劣之分，很難確定哪一種方法將幫助科學家發現理論預測的暗物質。加速器生存法也是直接的探測法。暗物質目前在人們的理解力之外，十分神秘的暗物質始終逃脫了科學團隊的搜索。假設暗物質不存在，人們就會重新考慮引力屬性，以“修正引力理論”描述暗物質現象。暗物質躲避了人們的搜尋，可以尋找其它的搜索方法。在尋找未知的暗物質過程中，人們對實驗項目的“性價比”產生了一些擔憂和質疑，暗物質探索是目前最重要的基礎科學項目之一，對暗物質多途徑的精確搜索推動了理論和應用物理學的發展，從中產生意外收穫和價值難以估計。

（編譯：2018-9-3）