科学家再刷新暗物质探测灵敏度

本报记者 蔡姝雯 蒋明睿

《DK宇宙大百科》的前言里曾说：洞察宇宙的身世，是人类智慧的骄傲。浩瀚的宇宙深邃又复杂，为了一个基础问题，无数科研工作者苦苦求索。近日发表于《物 理评论快报》的研究中，中国科学院紫金山天文台研究员袁强和上海交通大学副教授葛韶锋、教授刘江来、特别研究员周宁等合作提出暗物质直接探测实验中的新周 日调制效应。什么是暗物质？新周日调制效应的提出又有何意义？《科技周刊》记者采访了袁强，请他为我们进行解读。

探测到暗物质粒子，将开启新物理的大门

暗物质是相对于我们常说的普通物质，或者叫可观测物质来说的，这种物质无法被人类直接看见或者观测到。它是百余年前天文学家通过观测星体的运动推测存在的一种不发光的物质，它们通过引力效应影响天体的运动和宇宙的演化。

“普通的物质是由夸克和轻子等微观粒子构成，科学家推测暗物质很可能是一种或多种超出标准物理模型的新粒子。”袁强告诉记者，暗物质的物理本质仍然不为我 们所知，现有观测结果表明宇宙中暗物质总质量为构成恒星、星系等的普通物质质量的5倍左右。如此质量庞大的暗物质通过其巨大的引力塑造着宇宙的结构。因 此，探测暗物质粒子十分有必要，有望开启新物理的大门。

实际上，对暗物质的直接探测实验已开展了三十余年，但目前为止还没有明确的信号被探测到。对暗物质的探测为何这样难？袁强介绍，探测到暗物质粒子指的是通 过仪器记录下其所产生的物理效应，也就是相互作用。但暗物质和普通物质的相互作用非常微弱，很难在仪器中留下信号。要想探测到暗物质，需要仪器的规模很 大，精度很高。“更重要的是，每个实验都有其灵敏范围，暗物质产生的信号只有落在这个范围内才有可能被探测到，而这恰恰是目前最没有把握的。”袁强说。

地球自转帮大忙，发现新周日调制效应

基于一些理论推测，科学家提出一般有三种办法来探测暗物质粒子，包括直接探测、间接探测和对撞机探测。

直接探测主要是试图通过记录被暗物质碰撞后的普通物质的运动来探测暗物质。袁强形象地将其原理比成打台球，“暗物质就像是母球，虽然不可见，但可以通过观测被母球撞击后的台球运动来推断母球的性质。”

直接探测也有不足之处，受限于探测器阈值，通常直接探测实验只能覆盖有限的暗物质质量区间（一般大于质子质量），对于更低质量区间的暗物质现有实验难以有 效覆盖。近年来有学者注意到，星系中有大量的宇宙射线粒子，它们可以通过碰撞将部分暗物质粒子加速到很高的能量，这样的话哪怕是轻质量暗物质也足以在探测 器中留下可观的信号。袁强及其合作者对这个图像产生了兴趣并展开进一步的研究，很快他们就发现一个有趣的特征，银河系中心的暗物质和宇宙射线都显著多于其 它地方，“根据此现象，我们推测被加速后的暗物质粒子应该大量地从银河系中心的方向来，这是不同于常规暗物质探测实验中各向同性事例分布的新特征。”

遗憾的是，目前的直接探测实验都不具备测量方向的能力，没办法知道某个事例是来自银河系中心还是其它方向，从而无法实现信号和背景的有效区分。就在这一研 究陷入瓶颈的时候，地球的自转又“帮了一个忙”，他们发现，随着地球的自转，不同方向的暗物质粒子穿越地球的厚度会呈现周日（恒星日）变化，导致暗物质粒 子打到探测器上的概率产生周日变化，形成一个周日调制现象。“简单理解，阴雨天也许我们看不到太阳的位置，但通过白天和夜晚的更替我们也可以知道太阳的存 在。”

该效应的发现，拓宽暗物质探测参数空间

袁强告诉记者，暗物质探测实验中最难的两个地方在于提高探测事例率和压低背景，提高事例率只能通过增大探测器规模或者拓宽探测器阈值来实现，而压低背景则需要寻找暗物质信号的独特特征。

新周日调制效应的发现正为探测低质量暗物质提供了一种独特的信号特征，可以帮助更好地区分信号和背景，在不改变探测器配置的情况下只通过分析方法的改进便可以提高低质量暗物质的探测灵敏度，拓宽了暗物质探测的参数空间。

目前，国际上正在开展的数吨级的液氙直接探测实验将显著地提升暗物质探测灵敏度，新周日调制效应也将成为这些实验在低质量区间的重要目标之一。

我国对暗物质探测的实验也正如火如荼地进行，目前在锦屏深地实验室中运行有PandaX和CDEX两个暗物质直接探测实验，也发射了“悟空”号卫星进行暗物质间接探测。还通过国际合作利用阿尔法磁谱仪、大型强子对撞机等实验开展了多种形式的暗物质探测。

袁强介绍，未来我国的直接探测实验将往更大规模、更低阈值、更低背景等方向发展。“悟空”号团队也正在设计研制下一代暗物质探测卫星“甚大面积伽马射线天 文台”。“此外，我国科学家也提出一些新型暗物质探测实验方案，例如通过上海激光电子伽马源探测暗光子粒子，通过精密原子磁测量探测轴子粒子等。可以说暗 物质的奥秘一天没揭开，我们的探索就不会止息。”