“暗物質(zhì)”，是一個(gè)有些人可能聽過(guò)，但大部分人會(huì)感到陌生的名詞。何為“暗”物質(zhì)？暗，有黑暗的意思，但此處的黑暗并不是黑色，而是看不見(jiàn)。

暗物質(zhì)并不被我們看見(jiàn)，那它是什么？

    科學(xué)家推測(cè)，暗物質(zhì)可能是由WIMP構(gòu)成的，而WIMP這種粒子幾乎不與可見(jiàn)的世界發(fā)生相互作用。因此，暗物質(zhì)是孤獨(dú)的。

    在解釋W(xué)IMP是什么之前，先來(lái)了解一下“看不見(jiàn)”的暗物質(zhì)是怎么被發(fā)現(xiàn)的吧。

    暗物質(zhì)存在所造成的異常首先被天文學(xué)家們察覺(jué)——他們觀測(cè)到宇宙中有異常運(yùn)動(dòng)，推測(cè)存在新的物質(zhì)。雖然沒(méi)有確切觀測(cè)到，但這種物質(zhì)被命名為“暗物質(zhì)”（dark matter）。

    雖然沒(méi)有確切的“實(shí)錘”，但科學(xué)家們還是通過(guò)自然現(xiàn)象反推出了它的一些特質(zhì)。比如：暗物質(zhì)似乎是一片不可見(jiàn)粒子的海洋，它們充斥在空間各處，密度并不均勻，以及“不與其他東西相互作用”的屬性。

    接著，天文觀測(cè)為我們確定了暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6倍。同時(shí)，天文學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)星系和星系團(tuán)全都被巨大的暗物質(zhì)球包裹，并稱之為“暗物質(zhì)暈”。

    而他們手中最令人信服的暗物質(zhì)存在的證據(jù)之一，是著名的“子彈星系團(tuán)”。子彈星系團(tuán)是一對(duì)相撞的星系團(tuán)，星際氣體云撞在一起，釋放出X射線，呈粉色；而暗物質(zhì)的引力扭曲了背景天體的光，呈現(xiàn)藍(lán)色。暗物質(zhì)本身雖不為我們所見(jiàn)，卻通過(guò)這種方式暴露了自己。

接著來(lái)看看構(gòu)成暗物質(zhì)的WIMP到底是什么吧。

    WIMP是“Weakly interacing massive partide”的縮寫，即“弱相互作用大質(zhì)量粒子”。

    這種粒子只通過(guò)弱核力發(fā)生相互作用，而且由于跟主宰日常生活的電磁力“絕緣”，因此是看不見(jiàn)的，也不會(huì)對(duì)普通粒子產(chǎn)生什么直接影響。遂此，WIMP可謂是完美的暗物質(zhì)候選者。

    值得一提的是，科學(xué)界還提出了一種比WIMP更“合適”的粒子——超級(jí)WIMP（Super-WIMP）。

    既然稱之為超級(jí)WIMP，那么它的許多特性與WIMP是相似的，只是超級(jí)WIMP與其他粒子并不會(huì)通過(guò)弱核力發(fā)生相互作用——只剩引力。

    科學(xué)家們推測(cè)宇宙大爆炸后1納秒誕生的WIMP可能是不穩(wěn)定的，極可能在幾秒甚至數(shù)天后，衰變成一類性的粒子——超級(jí)WIMP。并且他們認(rèn)為，暗物質(zhì)暈中心的密度應(yīng)該就能揭示，構(gòu)成暗物質(zhì)的到底是WIMP還是超級(jí)WIMP。

    只要確定了暗物質(zhì)的身份，就確定了占宇宙四分之一的成分。至于如何尋找它，科學(xué)界提出了三種策略：湮滅、散射和產(chǎn)生。

    “湮滅”是兩個(gè)WIMP相撞時(shí)，會(huì)互相湮滅但留下其他一些粒子，如電子、正電子和中微子等。這種湮滅不常見(jiàn)，但哪怕極少一部分WIMP發(fā)生湮滅也會(huì)被捕捉到。目前利用這種方式探測(cè)的有國(guó)際空間站的阿爾法磁譜儀、日本的超級(jí)神岡，以及我國(guó)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星DAMPE等。

    “散射”是一種直接檢測(cè)的方式。它利用的原理是：暗物質(zhì)會(huì)從地球中穿過(guò)，并在極罕見(jiàn)的情況下撞到一個(gè)原子核，此時(shí)利用低溫技術(shù)就可捕捉被撞原子核的彈跳。當(dāng)然，這種策略只能在儀器的靈敏度上下功夫，畢竟哪一個(gè)暗物質(zhì)粒子會(huì)穿過(guò)地球，穿過(guò)實(shí)驗(yàn)室的儀器，并恰好撞上那個(gè)原子核并不是我們能決定的。目前有DAMA（低溫暗物質(zhì)搜尋）、COGENT（相干鍺中微子技術(shù)）和中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室等在做相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

    “產(chǎn)生”利用的是暗物質(zhì)或許可以在粒子對(duì)撞機(jī)中產(chǎn)生的想法。它的原理是：既然暗物質(zhì)可以湮滅成普通粒子，那它也就可以通過(guò)普通粒子的碰撞產(chǎn)生。暗物質(zhì)產(chǎn)生的標(biāo)志，是碰撞中似乎有能量和動(dòng)量的消失。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有做相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

    我們國(guó)家自己的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星（DAMPE）名叫“悟空”號(hào)。它是世界上觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器。發(fā)射它的目的是去太空尋找暗物質(zhì)的存在證據(jù)，并探尋宇宙射線起源，觀測(cè)高能伽馬射線。

    2021年，中國(guó)暗物質(zhì)衛(wèi)星項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)公布科學(xué)成果，“悟空”基于四年半的在軌觀測(cè)，繪出了迄今最精確的高能氫原子核宇宙射線能譜，并觀察到能譜新結(jié)構(gòu)。

    同時(shí)，“悟空”號(hào)獲得氦核宇宙線70GeV至80TeV能段的精確能譜測(cè)量結(jié)果并發(fā)現(xiàn)能譜新結(jié)構(gòu)。這是國(guó)際上利用空間實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)10TeV以上能段氦核宇宙線能譜的首次精確測(cè)量。

    “悟空”號(hào)已經(jīng)大大提高了我國(guó)暗物質(zhì)的探測(cè)水平。未來(lái)，期待我們能用悟空的“火眼金睛”發(fā)現(xiàn)更多的宇宙奧秘。