□ 本報記者 蔡姝雯 蔣明睿

　　《DK宇宙大百科》的前言里曾說(shuō)：洞察宇宙的身世，是人類(lèi)智慧的驕傲。浩瀚的宇宙深邃又復雜，為了一個(gè)基礎問(wèn)題，無(wú)數科研工作者苦苦求索。近日發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員袁強和上海交通大學(xué)副教授葛韶鋒、教授劉江來(lái)、特別研究員周寧等合作提出暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗中的新周日調制效應。什么是暗物質(zhì)？新周日調制效應的提出又有何意義？《科技周刊》記者采訪(fǎng)了袁強，請他為我們進(jìn)行解讀。

　　探測到暗物質(zhì)粒子，將開(kāi)啟新物理的大門(mén) 

　　暗物質(zhì)是相對于我們常說(shuō)的普通物質(zhì)，或者叫可觀(guān)測物質(zhì)來(lái)說(shuō)的，這種物質(zhì)無(wú)法被人類(lèi)直接看見(jiàn)或者觀(guān)測到。它是百余年前天文學(xué)家通過(guò)觀(guān)測星體的運動(dòng)推測存在的一種不發(fā)光的物質(zhì)，它們通過(guò)引力效應影響天體的運動(dòng)和宇宙的演化。

　　“普通的物質(zhì)是由夸克和輕子等微觀(guān)粒子構成，科學(xué)家推測暗物質(zhì)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(zhì)的物理本質(zhì)仍然不為我們所知，現有觀(guān)測結果表明宇宙中暗物質(zhì)總質(zhì)量為構成恒星、星系等的普通物質(zhì)質(zhì)量的5倍左右。如此質(zhì)量龐大的暗物質(zhì)通過(guò)其巨大的引力塑造著(zhù)宇宙的結構。因此，探測暗物質(zhì)粒子十分有必要，有望開(kāi)啟新物理的大門(mén)。

　　實(shí)際上，對暗物質(zhì)的直接探測實(shí)驗已開(kāi)展了三十余年，但目前為止還沒(méi)有明確的信號被探測到。對暗物質(zhì)的探測為何這樣難？袁強介紹，探測到暗物質(zhì)粒子指的是通過(guò)儀器記錄下其所產(chǎn)生的物理效應，也就是相互作用。但暗物質(zhì)和普通物質(zhì)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(zhì)，需要儀器的規模很大，精度很高。“更重要的是，每個(gè)實(shí)驗都有其靈敏范圍，暗物質(zhì)產(chǎn)生的信號只有落在這個(gè)范圍內才有可能被探測到，而這恰恰是目前最沒(méi)有把握的。”袁強說(shuō)。

　　地球自轉幫大忙，發(fā)現新周日調制效應 

　　基于一些理論推測，科學(xué)家提出一般有三種辦法來(lái)探測暗物質(zhì)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(guò)記錄被暗物質(zhì)碰撞后的普通物質(zhì)的運動(dòng)來(lái)探測暗物質(zhì)。袁強形象地將其原理比成打臺球，“暗物質(zhì)就像是母球，雖然不可見(jiàn)，但可以通過(guò)觀(guān)測被母球撞擊后的臺球運動(dòng)來(lái)推斷母球的性質(zhì)。”

　　直接探測也有不足之處，受限于探測器閾值，通常直接探測實(shí)驗只能覆蓋有限的暗物質(zhì)質(zhì)量區間（一般大于質(zhì)子質(zhì)量），對于更低質(zhì)量區間的暗物質(zhì)現有實(shí)驗難以有效覆蓋。近年來(lái)有學(xué)者注意到，星系中有大量的宇宙射線(xiàn)粒子，它們可以通過(guò)碰撞將部分暗物質(zhì)粒子加速到很高的能量，這樣的話(huà)哪怕是輕質(zhì)量暗物質(zhì)也足以在探測器中留下可觀(guān)的信號。袁強及其合作者對這個(gè)圖像產(chǎn)生了興趣并展開(kāi)進(jìn)一步的研究，很快他們就發(fā)現一個(gè)有趣的特征，銀河系中心的暗物質(zhì)和宇宙射線(xiàn)都顯著(zhù)多于其它地方，“根據此現象，我們推測被加速后的暗物質(zhì)粒子應該大量地從銀河系中心的方向來(lái)，這是不同于常規暗物質(zhì)探測實(shí)驗中各向同性事例分布的新特征。”

　　遺憾的是，目前的直接探測實(shí)驗都不具備測量方向的能力，沒(méi)辦法知道某個(gè)事例是來(lái)自銀河系中心還是其它方向，從而無(wú)法實(shí)現信號和背景的有效區分。就在這一研究陷入瓶頸的時(shí)候，地球的自轉又“幫了一個(gè)忙”，他們發(fā)現，隨著(zhù)地球的自轉，不同方向的暗物質(zhì)粒子穿越地球的厚度會(huì )呈現周日（恒星日）變化，導致暗物質(zhì)粒子打到探測器上的概率產(chǎn)生周日變化，形成一個(gè)周日調制現象。“簡(jiǎn)單理解，陰雨天也許我們看不到太陽(yáng)的位置，但通過(guò)白天和夜晚的更替我們也可以知道太陽(yáng)的存在。”

　　該效應的發(fā)現，拓寬暗物質(zhì)探測參數空間 

　　袁強告訴記者，暗物質(zhì)探測實(shí)驗中最難的兩個(gè)地方在于提高探測事例率和壓低背景，提高事例率只能通過(guò)增大探測器規模或者拓寬探測器閾值來(lái)實(shí)現，而壓低背景則需要尋找暗物質(zhì)信號的獨特特征。

　　新周日調制效應的發(fā)現正為探測低質(zhì)量暗物質(zhì)提供了一種獨特的信號特征，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(guò)分析方法的改進(jìn)便可以提高低質(zhì)量暗物質(zhì)的探測靈敏度，拓寬了暗物質(zhì)探測的參數空間。

　　目前，國際上正在開(kāi)展的數噸級的液氙直接探測實(shí)驗將顯著(zhù)地提升暗物質(zhì)探測靈敏度，新周日調制效應也將成為這些實(shí)驗在低質(zhì)量區間的重要目標之一。

　　我國對暗物質(zhì)探測的實(shí)驗也正如火如荼地進(jìn)行，目前在錦屏深地實(shí)驗室中運行有PandaX和CDEX兩個(gè)暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗，也發(fā)射了“悟空”號衛星進(jìn)行暗物質(zhì)間接探測。還通過(guò)國際合作利用阿爾法磁譜儀、大型強子對撞機等實(shí)驗開(kāi)展了多種形式的暗物質(zhì)探測。

　　袁強介紹，未來(lái)我國的直接探測實(shí)驗將往更大規模、更低閾值、更低背景等方向發(fā)展。“悟空”號團隊也正在設計研制下一代暗物質(zhì)探測衛星“甚大面積伽馬射線(xiàn)天文臺”。“此外，我國科學(xué)家也提出一些新型暗物質(zhì)探測實(shí)驗方案，例如通過(guò)上海激光電子伽馬源探測暗光子粒子，通過(guò)精密原子磁測量探測軸子粒子等。可以說(shuō)暗物質(zhì)的奧秘一天沒(méi)揭開(kāi)，我們的探索就不會(huì )止息。”

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