歷經(jīng)幾個(gè)世紀(jì)的探索，人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)范圍包含了一百多億光年（1025m）尺度的浩瀚宇宙至10?35m（普朗克長度）的微小基本粒子。隨著探索的深入，我們意識(shí)到所知道的竟然是宇宙很少的一部分。這難道還不讓人驚奇、費(fèi)解并值得深究和探討嗎？探尋大量暗藏在宇宙中的物質(zhì)，找回“缺失”的宇宙，或者說尋找“隱藏”的宇宙，必然是一個(gè)“天大”的課題。

波蘭天文學(xué)家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473—1543 年） 在1543 年出版的《天體運(yùn)行論》一書中指出，“地球并不是宇宙的中心，地球只是圍繞太陽運(yùn)行的一顆普通行星, 而且自身又有轉(zhuǎn)動(dòng)”。哥白尼的“日心說”推翻了統(tǒng)治天文學(xué)千年的“地球是宇宙中心”的“地心說”，是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的第一次飛躍。此后，天文學(xué)和宇宙學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀察和理論研究不斷地突破了人們關(guān)于宇宙構(gòu)成的認(rèn)知。

地球不是中心，太陽也不是中心，甚至銀河系還不是。隨著愛因斯坦廣義相對(duì)論的提出，人們才認(rèn)識(shí)到宇宙根本沒有中心。同樣，暗物質(zhì)和暗能量的存在是以前人類從未想象、也無法想象的事情。今天，隨著暗物質(zhì)、暗能量被證實(shí)在宇宙中占有很大比例，這難道不是對(duì)我們的宇宙觀及物質(zhì)觀的極大沖擊和巨大突破嗎？

也許，正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演變，如果沒有暗物質(zhì)就不會(huì)形成今天的星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。盡管宇宙在極大的尺度上似乎是均勻和各向同性的，但在一些小尺度上卻存在著恒星、星系、星系堆積或星系團(tuán)。

我們知道，大尺度上能夠維持物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了。我們也知道，絕對(duì)均勻分布的物質(zhì)之間不會(huì)有能使其運(yùn)動(dòng)的力。因此，今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)應(yīng)該出自宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落又會(huì)在宇宙微波背景（cosmic microwave background,CMB）中留下一些痕跡。如果我們不了解占宇宙幾乎四分之一的暗物質(zhì)的性質(zhì)，不了解宇宙極早期暗物質(zhì)的分布或漲落，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙和宇宙的演化。只有進(jìn)一步探索這些“不可見的宇宙”，找到暗藏在宇宙中的物質(zhì)，才能真正全面地認(rèn)識(shí)宇宙的構(gòu)成；只有了解“暗物質(zhì)”和“暗能量”如何影響銀河系及整個(gè)宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，人類才能最終理解宇宙的起源。

所以說，暗物質(zhì)的探究對(duì)宇宙學(xué)、天文學(xué)的發(fā)展具有重大的意義，同時(shí)對(duì)研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和基本相互作用的粒子物理學(xué)也是重大挑戰(zhàn)。20 世紀(jì)末美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（National Science andTechnology Council, NSTC）組織了“宇宙物理學(xué)”的跨部委的工作小組，研究21 世紀(jì)的重大科學(xué)前沿問題，并在2004 年5 月初發(fā)表了“宇宙物理學(xué)”報(bào)告（封面照片見圖1.4.1）。報(bào)告中提出了“建立夸克和宇宙的聯(lián)系——新世紀(jì)的11 個(gè)科學(xué)問題”，其中第一個(gè)問題就是“什么是暗物質(zhì)（What isthe dark matter?）”?？梢?，暗物質(zhì)的偵測(cè)與研究不僅是橫跨“宇宙學(xué)”“天文學(xué)”“粒子物理學(xué)”三大學(xué)科的重大基礎(chǔ)研究課題，而且是對(duì)這三大學(xué)科的重大挑戰(zhàn)。

世紀(jì)的11 個(gè)科學(xué)問題”，其中第一個(gè)問題就是“什么是暗物質(zhì)（What is the dark matter?）”?？梢姡滴镔|(zhì)的偵測(cè)與研究不僅是橫跨“宇宙學(xué)”“天文學(xué)”“粒子物理學(xué)”三大學(xué)科的重大基礎(chǔ)研究課題，而且是對(duì)這三大學(xué)科的重大挑戰(zhàn)。

目前物理學(xué)界有兩個(gè)理論： 一個(gè)是關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)和演化的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型——大爆炸宇宙論；一個(gè)是關(guān)于物質(zhì)基本構(gòu)成和相互作用的基本粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論。

暗物質(zhì)密切關(guān)系到宇宙的生成與演變

“大爆炸宇宙論”認(rèn)為：宇宙是150 億年前由一個(gè)極其致密和熾熱的奇點(diǎn)在一次大爆炸后膨脹形成的。1929 年美國天文學(xué)家哈勃依據(jù)天文觀察提出了星系的紅移量與星系間距離成正比的哈勃定律，并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離并不斷膨脹。這就是說，不管你在哪里，也不管你向哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系都正在快速遠(yuǎn)離你而去。換言之，宇宙正在不斷地膨脹。這也意味著很久很久以前星體相互之間靠得很近很近。

依照星系遠(yuǎn)離我們而去的速度可以推算出，大約100 億至200 億年之前的某一時(shí)間，它們應(yīng)該聚集在同一地方，顯然，此時(shí)的密度應(yīng)該非同尋常的大。哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示了存在著某個(gè)起始時(shí)刻，宇宙從此時(shí)刻開始互相遠(yuǎn)離膨脹。1950 年前后，俄裔美國科學(xué)家伽莫夫第一個(gè)建立了熱暴脹理論。他提出，在宇宙極早期的時(shí)候，宇宙很小，然后有一非常短的暴脹階段，其后宇宙立即變得很大。以伽莫夫建立的熱暴脹理論為基礎(chǔ)，經(jīng)過之后的幾十年努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲆徊坑钪嫜莼臍v史：

首先是宇宙起點(diǎn)的10^-43s 大爆炸，接著10^-35~10^-33s 暴脹，暴脹期的溫度為10^27~10^22K，主要成分為夸克、電子等最基本粒子，而后溫度下降。

大爆炸后數(shù)分鐘內(nèi)出現(xiàn)了一些核反應(yīng)，合成出宇宙中幾乎所有的氦。隨著膨脹的進(jìn)行，宇宙逐漸變冷。宇宙中物質(zhì)冷卻的過程中聚結(jié)成原初的

星系。原初的星系一方面分裂為恒星，另一方面聚在一起成為范圍更廣的集團(tuán)。隨著恒星的誕生和死亡，逐漸合成出碳、氧、硅、鐵這類重元素…… 圖1.4.2 形象地描繪出宇宙暴脹過程的幾個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)，圖中的橫軸表示時(shí)間。大爆炸理論引導(dǎo)著我們?nèi)プ匪菡麄€(gè)宇宙的演化，從時(shí)間的頭幾毫秒到地球的形成、生命的出現(xiàn)，甚至可能的未來。同樣，如果存在暗物質(zhì)的話，也應(yīng)該在宇宙早期的38 萬年以前就形成了；暗物質(zhì)粒子也應(yīng)該是那個(gè)時(shí)候產(chǎn)生的，至少是在質(zhì)子、中子等被稱作重子物質(zhì)產(chǎn)生之前產(chǎn)生的。隨后，宇宙變得很冷了。

暗物質(zhì)的概念不僅來自人們觀察宇宙天體運(yùn)動(dòng)中的各種奇特的現(xiàn)象（如1.2 節(jié)中的天體運(yùn)動(dòng)的典型例子），也出自對(duì)宇宙產(chǎn)生與演化的理論研究。

按照大爆炸宇宙學(xué)，整個(gè)宇宙的幾何性質(zhì)是由其質(zhì)量- 能量密度（或稱宇宙密度）決定的。基于宇宙在大尺度上是均勻及各向同性的基本認(rèn)識(shí)，宇宙的幾何空間結(jié)構(gòu)由所謂的羅伯遜- 沃爾克（ Robertson-Walker）度規(guī)來描述。根據(jù)宇宙物質(zhì)密度的不同，由羅伯遜- 沃爾克度規(guī)描述的宇宙有以下三種基本類型。

設(shè)宇宙的密度為ρ ，存在一個(gè)臨界密度（羅伯遜- 沃爾克臨界密度）為ρ c（c為下標(biāo)），其數(shù)值為

（其中，H 0 為當(dāng)前的哈勃（Hubble）常數(shù)，下標(biāo) 0 表示一個(gè)量的當(dāng)前數(shù)值。G 為牛頓的萬有引力常數(shù)）。

（1）當(dāng)宇宙物質(zhì)密度高于臨界密度ρ c ，宇宙的空間曲率為正，宇宙幾何是球形的，是封閉的；

（2）當(dāng)宇宙物質(zhì)密度等于臨界密度，宇宙的空間曲率為零，宇宙是平直的；

（3）當(dāng)宇宙物質(zhì)密度小于臨界密度，宇宙的空間曲率為負(fù)，宇宙是開放的，呈馬鞍形。

如果用 Ω 表示宇宙物質(zhì)密度與臨界密度之比（ρ /ρ c），則上述三種情形分別對(duì)應(yīng)于Ω >1，Ω =1 和Ω <1。

我們的宇宙適合于這三種情形中的哪一種呢？研究宇宙演化的理論有一條重要定律——Ω 應(yīng)滿足下面的關(guān)系式：

（Ω -1）/（Ω 0-1）=（R /R 0）α

式中，R 是描述宇宙尺度的物理量；α 是正的指數(shù)值，其數(shù)值取決于宇宙中輻射與物質(zhì)的主導(dǎo)地位，宇宙早期以輻射為主導(dǎo)，則α =2，當(dāng)前的宇宙以物質(zhì)占主導(dǎo)，則 α =1。

由關(guān)系式不難看出，初始宇宙尺度越小，Ω 就越接近 1。盡管測(cè)量不很準(zhǔn)確，當(dāng)前值Ω 0 值的數(shù)量級(jí)也在 1 左右。天文學(xué)家以今天宇宙的尺度1026m 推算出在宇宙極早期（10-35m 尺度）的Ω -1 約為 10-60 或更小，也就是說宇宙極早期的Ω 約為

Ω = 1.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

這表明極早期宇宙的Ω 值非常接近1。很難想象，為什么在宇宙的初始條件中會(huì)出現(xiàn)Ω 如此接近于 1，或者說為什么我們宇宙的初始空間曲率會(huì)如此地接近于零？我們需要有一個(gè)理論來解釋。在大爆炸宇宙模型中引入了宇宙暴脹概念可以給以不錯(cuò)的解釋。今天的暴脹宇宙學(xué)理論不僅可以解釋宇宙早期 Ω 如此地接近 1，還進(jìn)一步預(yù)言今天的Ω 0 也特別接近1（現(xiàn)實(shí)的宇宙已經(jīng)處于接近平直狀態(tài)達(dá)幾十億年）?；蛘哒f，暴脹宇宙學(xué)暗示，宇宙的物質(zhì)密度應(yīng)該非常接近于臨界密度。

為此，我們對(duì)宇宙物質(zhì)密度及臨界密度都做了大量觀測(cè)。盡管存在一些誤差，觀測(cè)顯示，可見物質(zhì)的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界密度。這么大的差距從哪里來？可不可以用暗物質(zhì)理論來解釋？特別是采用WIMP 假設(shè)理論呢？

當(dāng)然，WIMP 能否真正解釋暗物質(zhì)，還取決于它們的數(shù)量大小。與夸克、電子等粒子一樣，WIMP 也是在宇宙大爆炸初期的高溫中產(chǎn)生的。在宇宙的極早期，雖然高能粒子的碰撞既有WIMP 的產(chǎn)生，也有WIMP的湮滅，但在任意時(shí)刻都有一定數(shù)量的WIMP 存在。

這一數(shù)量會(huì)隨時(shí)間的推移而變化，變化程度取決于受宇宙膨脹過程中“產(chǎn)生”“湮滅”兩個(gè)過程的平衡程度。一方面，宇宙的冷卻降低了碰撞的能量，導(dǎo)致產(chǎn)生的WIMP 數(shù)量逐漸減少；另一方面，宇宙膨脹使粒子密度降低，從而降低了粒子碰撞或湮滅的頻率，直到碰撞或湮滅不可能再發(fā)生為止。到大爆炸后大約 10ns（1ns 為十億分之一s），宇宙不再擁有產(chǎn)生WIMP 所需的高能量，同時(shí)也不再具備讓它們湮滅所需的高密度，WIMP 的數(shù)量便保存了下來。

在假設(shè)WIMP 的預(yù)期質(zhì)量以及它們的相互作用強(qiáng)度（這決定了正反WIMP 湮滅的發(fā)生頻率）的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家計(jì)算出會(huì)保留下來的WIMP 數(shù)量。讓科學(xué)家非常興奮的是，計(jì)算出來的 WIMP 的數(shù)量和質(zhì)量剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質(zhì)比例?？茖W(xué)家把如此不同尋常的吻合稱為“WIMP 巧合”（WIMP coincidence）。這也是把WIMP 作為首選暗物質(zhì)粒子的重要原因。當(dāng)然，這不過是在假設(shè)存在WIMP 的基礎(chǔ)上對(duì)宇宙學(xué)的觀測(cè)事實(shí)的解釋, 只有當(dāng)WIMP 被真正探尋到才可以得到證實(shí)。

這樣，兩個(gè)十分重大而又非常基本的問題擺在我們面前：宇宙學(xué)的大爆炸宇宙論中能夠使宇宙膨脹的動(dòng)力是什么？目前所觀察到的宇宙物質(zhì)密度遠(yuǎn)小于臨界密度的緣由是什么？前者可能是暗能量，后者可能就是暗物質(zhì)。由此不難看出暗物質(zhì)研究的重大意義了，對(duì)暗物質(zhì)的探索絕對(duì)是天文學(xué)、宇宙學(xué)和天體物理學(xué)的重大前沿課題。

夢(mèng)寐以求的基本粒子

我們知道，普通的物質(zhì)是由最基本的粒子組合而成的。物質(zhì)由原子、分子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由核子（即中子和質(zhì)子）構(gòu)成，而核子由最基本的夸克構(gòu)成。

我們已知的基本粒子如圖1.4.3（a）所示，包括： 六種夸克分別用字母 u、d、s、c、t、b 表示；六種輕子分別用：e、μ、τ、νμ、νe、ντ 表示以及它們的反粒子； 另外有傳遞相互作用的粒子（傳遞電磁作用的伽馬γ，傳遞強(qiáng)作用的膠子g 和傳遞弱作用的 W、Z 粒子）以及希格斯粒子。另外，普通粒子的相互作用除引力外，還有電磁作用、核子之間的強(qiáng)作用以及輕子之間的弱作用。圖1.4.3（b）中形象地給出了不同粒子的幾種相互作用，圖中最低層的三種中微子νμ、νe、ντ 只有弱作用；中間層的三種帶電的輕子參加電磁作用；最上面的六種夸克之間是強(qiáng)相互作用。

我們要問：第一，暗物質(zhì)粒子（如上面所說的WIMP 粒子等）是否是我們已經(jīng)知道的這些粒子中的某種粒子？第二，暗物質(zhì)粒子本身之間有什么樣的作用？第三，暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)粒子之間除引力之外還會(huì)有其他作用嗎？第四，如果有作用，是普通物質(zhì)粒子相互作用中的某一種呢，還是存在其他作用？……可見，尋找暗物質(zhì)粒子不僅對(duì)粒子物理研究具有重大的意義，也是對(duì)粒子物理的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。這就不難理解，為什么把暗物質(zhì)的尋找和研究稱為21 世紀(jì)“建立夸克和宇宙的聯(lián)系”的首個(gè)重大課題了。

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型理論十分成功地解釋了各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，被廣泛地接受。特別是最近，標(biāo)準(zhǔn)理論中預(yù)言的“上帝粒子”在最大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC 實(shí)驗(yàn)中被找到。“上帝粒子”（即物理上稱之為的希格斯（Higgs）粒子）的證實(shí)，表明粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型理論近乎完美。

但是標(biāo)準(zhǔn)模型理論也有其不足之處。在粒子物理理論中還有一些棘手的問題，比如標(biāo)準(zhǔn)模型中著名的等級(jí)問題（ Hierarchy Problem），即為什么在電弱統(tǒng)一的能標(biāo)與其他幾種作用統(tǒng)一的能標(biāo)（或稱普朗克能標(biāo)）之間存在高達(dá)十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別？此外，基本粒子按照自旋的差別被分為兩大類，自旋為整數(shù)的粒子（被稱為玻色子（ Boson））及自旋為半整數(shù)的粒子（被稱為費(fèi)米子 （Fermion）），而這兩類粒子的基本性質(zhì)截然不同。什么樣的對(duì)稱性能將這兩類粒子聯(lián)系起來呢？能夠回答這些的理論被稱為“超對(duì)稱理論”。超對(duì)稱是指費(fèi)米子和玻色子之間的一種對(duì)稱性。該理論認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)理論中的每個(gè)粒子都有和它鏡像對(duì)稱的粒子伴，如圖1.4.4 所示。

超對(duì)稱理論所預(yù)言的粒子叫超對(duì)稱粒子。圖1.4.5 給出了和標(biāo)準(zhǔn)理論粒子對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱粒子的名稱和自旋。該理論還認(rèn)為，雖然在相互作用能量低的時(shí)候（能標(biāo)低的時(shí)候），電磁作用、強(qiáng)作用、弱作用，甚至引力作用的作用強(qiáng)度有很大不同；當(dāng)相互作用能量很高的時(shí)候（能標(biāo)很高的時(shí)候），就會(huì)趨于一致，而且可能在某個(gè)能標(biāo)下這幾種作用幾乎相同（見圖1.4.6）。我們也可以這樣理解，宇宙中只有一種相互作用，只是能標(biāo)低的時(shí)候表現(xiàn)為不同形式而已。例如電磁作用，在某些時(shí)候只表現(xiàn)磁作用，某些時(shí)候只表現(xiàn)電作用，但它們本質(zhì)上是同一種作用在不同場(chǎng)合下的不同表現(xiàn)而已。

超對(duì)稱理論大大簡化了粒子物理的基本構(gòu)架，約化了相互作用，但也帶來了煩惱。最討厭的是在基本粒子大家庭中憑空增添了成倍的成員。超對(duì)稱理論還預(yù)言了一種“ 中性伴子”，它具有一定質(zhì)量，壽命還很長?！爸行园樽印敝g的相互作用以及與普通物質(zhì)的作用都很弱，很容易“穿過”正常物質(zhì)。

遺憾的是，多年來這種理論所預(yù)言的那么多的超對(duì)稱粒子，包括“中性伴子”，一個(gè)也沒有找到。人們不禁要問，它們會(huì)不會(huì)是暗物質(zhì)粒子呢？如果暗物質(zhì)粒子是某種超對(duì)稱粒子的話，將是對(duì)該理論重大的實(shí)驗(yàn)支持。從這里也不難看出，暗物質(zhì)粒子的偵測(cè)對(duì)基本粒子物理學(xué)是多么的重要，又是多么的需要。

物理學(xué)家們?cè)谡雇?0 世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)認(rèn)為，“19 世紀(jì)的物理學(xué)天空被‘兩朵烏云’籠罩了”，20 世紀(jì)對(duì)這“兩朵烏云”的探究出現(xiàn)了“量子論”和“相對(duì)論”，給物理學(xué)界帶來了革命性的變革，極大地推進(jìn)了人類對(duì)客觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。

21 世紀(jì)的今天，現(xiàn)代物理學(xué)的天空中又有“兩朵烏云”——暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)和暗能量這“兩朵烏云”之謎，很可能導(dǎo)致下一場(chǎng)物理學(xué)的革命，促成人類對(duì)物質(zhì)世界和宇宙認(rèn)識(shí)的又一次重大飛躍。