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中科院研究員畢效軍談“尋蹤”暗物質(zhì)添加時(shí)間：2017-05-15
導(dǎo)讀：前不久，中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組（CDEX）的最新研究成果在《物理評(píng)論D》發(fā)表。據(jù)媒體報(bào)道，該成果將暗物質(zhì)探測靈敏度提升了大約10倍。有不少物理愛好者非常關(guān)注暗物質(zhì)的研究進(jìn)展，多年從事暗物質(zhì)研究的中國科學(xué)院高能物理所研究員畢效軍采取"一問一答式"向大家詳細(xì)介紹暗物質(zhì)研究的背景和此次研究進(jìn)展的意義。
問：首先請(qǐng)介紹一下什么是暗物質(zhì)？
畢效軍：簡單來講，暗物質(zhì)就是"在宇宙中還沒有被我們‘看到’的物質(zhì)"。這個(gè)解釋馬上會(huì)引起兩個(gè)疑問：何為"看到"？既然沒有"看到"，那憑什么知道宇宙中存在這樣的物質(zhì)？
在天文學(xué)上，技術(shù)發(fā)展最充分、設(shè)備最為先進(jìn)、能力也最強(qiáng)大的"看"的辦法，就是探測來自太空不同物質(zhì)發(fā)射的各種波段的電磁波。沒有"看到"的物質(zhì)，也就是指在全部的電磁波段，我們都沒有看到這類物質(zhì)的電磁輻射，它們對(duì)于我們來講是"黑暗"的。
另一方面，雖然我們從來沒有直接"看到"宇宙中存在暗物質(zhì)，但我們卻發(fā)現(xiàn)了由于暗物質(zhì)的引力作用對(duì)其他可見的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，這就是我們斷定宇宙中存在暗物質(zhì)的理由。目前從星系到宇宙學(xué)尺度的觀測，都發(fā)現(xiàn)可觀測物體運(yùn)動(dòng)的異?，F(xiàn)象，由此我們推斷宇宙中可能存在我們還沒有"看到"的物質(zhì)，即暗物質(zhì)，它們通過引力效應(yīng)影響了可見物體的運(yùn)動(dòng)。
問：既然如此，科學(xué)家如何對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行探測？
畢效軍：由于暗物質(zhì)粒子不參與電磁相互作用，通常的天文觀測方法很難發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，為了了解其本質(zhì)，目前的探測方法大致分為三類。
首先是在對(duì)撞機(jī)上將暗物質(zhì)粒子"創(chuàng)造"出來，從而研究其物理特性。由于暗物質(zhì)粒子不能被探測器直接觀察到，因而，它們表現(xiàn)為一部分能量丟失了，從丟失的"能量"和分布可以推測暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。
第二種方法是直接探測法。該方法是直接探測暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)。由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很"微弱"。為了降低由宇宙線與探測器碰撞造成的本底噪聲信號(hào)，通常需要把探測器放置在很深的地下。暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)，是目前尋找暗物質(zhì)粒子最重要的探測方式。目前的實(shí)驗(yàn)精度下，我們只可能探測到弱作用重粒子（WIMP）的信號(hào)，而更弱的信號(hào)，如軸子、超對(duì)稱引力子是無法用這種方法探測的。中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組（CDEX）的研究，就是通過這種方法探測的。
第三種辦法稱為暗物質(zhì)的間接探測法。間接法是觀測暗物質(zhì)粒子衰變或相互碰撞并湮滅后產(chǎn)生的穩(wěn)定粒子如伽瑪射線、正電子、反質(zhì)子等。根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅后，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如果我們能夠精確測量這些粒子的能譜，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。
問：探測暗物質(zhì)的科學(xué)意義是什么？
畢效軍：我們認(rèn)為，暗物質(zhì)是在宇宙極早期產(chǎn)生的，并且遺留到了今天，當(dāng)時(shí)的宇宙溫度非常高，遠(yuǎn)高于目前對(duì)撞機(jī)所能產(chǎn)生的能量。探測宇宙中的暗物質(zhì)并了解其性質(zhì)，就相當(dāng)于我們直接在觀測宇宙的超大對(duì)撞機(jī)給我們產(chǎn)生出來的新粒子，這對(duì)理解超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理、理解物質(zhì)的基本相互作用有重大科學(xué)意義。
問：CDEX將暗物質(zhì)探測的靈敏度提升大約10倍是如何做到的？
畢效軍：主要是通過增加新的設(shè)備以壓低本底、設(shè)計(jì)了新的數(shù)據(jù)分析方法等手段實(shí)現(xiàn)的。
問：有研究者將探測暗物質(zhì)比喻為"追捕"，好比在茫茫大海上捕魚。這是否意味著，目前科學(xué)家們的工作主要集中于對(duì)"追捕區(qū)域范圍"的確定？
畢效軍：我感覺，找暗物質(zhì)有點(diǎn)像找今年3月"馬航"的失聯(lián)飛機(jī)，通過一塊海域、一塊海域的排除，最后找到飛機(jī)所在的地點(diǎn)。
我們不知道暗物質(zhì)在哪個(gè)區(qū)域，就像不知道這個(gè)飛機(jī)在哪兒一樣，只能一塊、一塊地排除完了才能確定。當(dāng)然，也有可能，就是把懷疑的海域都排除了，仍然沒有找到飛機(jī)。那說明，我們一開始的推斷可能有問題，也許飛機(jī)沒有墜海，而是在其他地方。
暗物質(zhì)探測也一樣。我們也是在搜索一塊高度懷疑的"海域"，但目前仍然沒有跡象。有可能在下一塊海域就找到了，也有可能搜索了一遍仍然沒有找到。
問：暗物質(zhì)研究領(lǐng)域未來幾年的重點(diǎn)方向是什么？科學(xué)家們能否預(yù)計(jì)，大概何時(shí)能夠"捕獲"暗物質(zhì)的蹤影？
畢效軍：未來幾年的重點(diǎn)仍然是增大探測器體積、減小本底以提高靈敏度，首先力爭把我們懷疑的區(qū)域都搜索完。因而，何時(shí)"捕獲"是完全無法預(yù)料的，運(yùn)氣好的話，也許明天就讓我們碰上了，運(yùn)氣不好，也許搜索完了也沒能發(fā)現(xiàn)。
問：首先請(qǐng)介紹一下什么是暗物質(zhì)？
畢效軍：簡單來講，暗物質(zhì)就是"在宇宙中還沒有被我們‘看到’的物質(zhì)"。這個(gè)解釋馬上會(huì)引起兩個(gè)疑問：何為"看到"？既然沒有"看到"，那憑什么知道宇宙中存在這樣的物質(zhì)？
在天文學(xué)上，技術(shù)發(fā)展最充分、設(shè)備最為先進(jìn)、能力也最強(qiáng)大的"看"的辦法，就是探測來自太空不同物質(zhì)發(fā)射的各種波段的電磁波。沒有"看到"的物質(zhì)，也就是指在全部的電磁波段，我們都沒有看到這類物質(zhì)的電磁輻射，它們對(duì)于我們來講是"黑暗"的。
另一方面，雖然我們從來沒有直接"看到"宇宙中存在暗物質(zhì)，但我們卻發(fā)現(xiàn)了由于暗物質(zhì)的引力作用對(duì)其他可見的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，這就是我們斷定宇宙中存在暗物質(zhì)的理由。目前從星系到宇宙學(xué)尺度的觀測，都發(fā)現(xiàn)可觀測物體運(yùn)動(dòng)的異?，F(xiàn)象，由此我們推斷宇宙中可能存在我們還沒有"看到"的物質(zhì)，即暗物質(zhì)，它們通過引力效應(yīng)影響了可見物體的運(yùn)動(dòng)。
問：既然如此，科學(xué)家如何對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行探測？
畢效軍：由于暗物質(zhì)粒子不參與電磁相互作用，通常的天文觀測方法很難發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，為了了解其本質(zhì)，目前的探測方法大致分為三類。
首先是在對(duì)撞機(jī)上將暗物質(zhì)粒子"創(chuàng)造"出來，從而研究其物理特性。由于暗物質(zhì)粒子不能被探測器直接觀察到，因而，它們表現(xiàn)為一部分能量丟失了，從丟失的"能量"和分布可以推測暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。
第二種方法是直接探測法。該方法是直接探測暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)。由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很"微弱"。為了降低由宇宙線與探測器碰撞造成的本底噪聲信號(hào)，通常需要把探測器放置在很深的地下。暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)，是目前尋找暗物質(zhì)粒子最重要的探測方式。目前的實(shí)驗(yàn)精度下，我們只可能探測到弱作用重粒子（WIMP）的信號(hào)，而更弱的信號(hào)，如軸子、超對(duì)稱引力子是無法用這種方法探測的。中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組（CDEX）的研究，就是通過這種方法探測的。
第三種辦法稱為暗物質(zhì)的間接探測法。間接法是觀測暗物質(zhì)粒子衰變或相互碰撞并湮滅后產(chǎn)生的穩(wěn)定粒子如伽瑪射線、正電子、反質(zhì)子等。根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅后，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如果我們能夠精確測量這些粒子的能譜，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。
問：探測暗物質(zhì)的科學(xué)意義是什么？
畢效軍：我們認(rèn)為，暗物質(zhì)是在宇宙極早期產(chǎn)生的，并且遺留到了今天，當(dāng)時(shí)的宇宙溫度非常高，遠(yuǎn)高于目前對(duì)撞機(jī)所能產(chǎn)生的能量。探測宇宙中的暗物質(zhì)并了解其性質(zhì)，就相當(dāng)于我們直接在觀測宇宙的超大對(duì)撞機(jī)給我們產(chǎn)生出來的新粒子，這對(duì)理解超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理、理解物質(zhì)的基本相互作用有重大科學(xué)意義。
問：CDEX將暗物質(zhì)探測的靈敏度提升大約10倍是如何做到的？
畢效軍：主要是通過增加新的設(shè)備以壓低本底、設(shè)計(jì)了新的數(shù)據(jù)分析方法等手段實(shí)現(xiàn)的。
問：有研究者將探測暗物質(zhì)比喻為"追捕"，好比在茫茫大海上捕魚。這是否意味著，目前科學(xué)家們的工作主要集中于對(duì)"追捕區(qū)域范圍"的確定？
畢效軍：我感覺，找暗物質(zhì)有點(diǎn)像找今年3月"馬航"的失聯(lián)飛機(jī)，通過一塊海域、一塊海域的排除，最后找到飛機(jī)所在的地點(diǎn)。
我們不知道暗物質(zhì)在哪個(gè)區(qū)域，就像不知道這個(gè)飛機(jī)在哪兒一樣，只能一塊、一塊地排除完了才能確定。當(dāng)然，也有可能，就是把懷疑的海域都排除了，仍然沒有找到飛機(jī)。那說明，我們一開始的推斷可能有問題，也許飛機(jī)沒有墜海，而是在其他地方。
暗物質(zhì)探測也一樣。我們也是在搜索一塊高度懷疑的"海域"，但目前仍然沒有跡象。有可能在下一塊海域就找到了，也有可能搜索了一遍仍然沒有找到。
問：暗物質(zhì)研究領(lǐng)域未來幾年的重點(diǎn)方向是什么？科學(xué)家們能否預(yù)計(jì)，大概何時(shí)能夠"捕獲"暗物質(zhì)的蹤影？
畢效軍：未來幾年的重點(diǎn)仍然是增大探測器體積、減小本底以提高靈敏度，首先力爭把我們懷疑的區(qū)域都搜索完。因而，何時(shí)"捕獲"是完全無法預(yù)料的，運(yùn)氣好的話，也許明天就讓我們碰上了，運(yùn)氣不好，也許搜索完了也沒能發(fā)現(xiàn)。