2.暗物质的探测

暗物质究竟是什么？这是长久以来粒子物理和宇宙学的核心问题之一。如果在暗物质研究方面取得实质性突破，意味人类对自然界认识的革命性飞跃，直接推进人类对宇宙的演化、对物质的基本结构和相互作用的理解。暗物质与普通物质之间有引力作用，但是几乎没有电磁相互作用，意味着无法通过电磁波探测暗物质。不过科学家还是有办法探测暗物质，目前这方面的实验主要有三类：间接探测、直接探测和对撞机探测。

（1）间接探测

理论预测，暗物质粒子可以充当自己的反物质粒子，两个暗物质粒子碰到一起会湮灭并释放出次级粒子以及γ射线。间接探测就是从γ射线、中微子等观测数据中，寻找暗物质粒子湮灭或衰变的产物，这种方式需要发射卫星在太空进行持续观测，所以也被称为“上天”。暗物质在空间中并不均匀分布，应该在星系内部和周围形成团块。这种聚集会提高暗物质粒子湮灭的概率，产生稳定的γ射线流，可以被太空望远镜探测到。这种暗物质粒子的湮灭将产生特定波长的γ射线，与黑洞或超新星等其他来源产生的γ射线不同，而且这些γ射线流应该是连续的，其信号源应该是成片的，而不是点源。2015年12月，我国成功发射“悟空”暗物质粒子探测卫星，采用的就是太空间接探测的方法，专门用于探测暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的高能粒子和γ射线。NASA的费米γ射线太空望远镜也正在寻找此类γ射线。

（2）直接探测

直接探测就是在地下实验室捕捉暗物质与原子核碰撞的证据，这种方式被称为“入地”。理论预测，每一秒都有数百万甚至数十亿个暗物质粒子穿过地球的每一平方厘米土地。当暗物质粒子恰好撞上探测器中的原子核时，会将能量传递给原子核，而原子核会以闪光或其他形式发出能量，科学家可以通过灵敏的探测器检测到能量信号。这些实验大多使用低温或惰性液体检测器技术。低温探测器在接近绝对零摄氏度的温度下工作，可以检测粒子撞击晶体吸收剂（如锗）中的原子核时产生的热量。惰性液体探测器可检测暗物质粒子撞击液氙或液氩原子核产生的闪烁。此类实验通常在地下深处进行，以尽可能屏蔽宇宙射线的干扰。世界上已经有多个国家建立暗物质探测地下实验室，中国的暗物质探测实验室位于四川锦屏，名为“中国锦屏地下实验室”，是国际上岩石覆盖最深的地下实验室。

（3）对撞机探测

探测暗物质粒子的另一种方法是在实验室中创造它们，这种方式被称为“人造”。欧洲大型强子对撞机（LHC）是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。理论预言，LHC实验可能探测到在对撞机内部由质子束碰撞产生的暗物质粒子。动量守恒定律是最基本的物理学定律之一——碰撞前的总动量等于碰撞后的总动量。如果从质子-质子碰撞后观察到的粒子的总动量不等于两个质子的动量和，我们可以推断一定有一个看不见的粒子在某个地方带走了丢失的动量。这就像拼图游戏中缺了一块，科学家可以通过缺失的能量或动量发现那个看不见的粒子。对撞机实验的任何发现需要和间接探测或直接探测结果相互印证，以证明所发现的粒子是暗物质粒子。