在過(guò)去的幾十年里，大量的天文觀測(cè)都指向了一個(gè)驚人的事實(shí)：在可觀測(cè)宇宙中，我們所熟悉的、遍布在宇宙中的恒星、行星、氣體、塵埃等所有的普通物質(zhì)，僅僅只占宇宙總質(zhì)量和能量密度的5%，還有95%是完全未知的！這片未知的領(lǐng)地是由69%神秘的暗能量和26%的暗物質(zhì)構(gòu)成，它們的本質(zhì)是當(dāng)今宇宙學(xué)最大的未解之謎。我們今天所要探尋的，正是其中的這26%。

  星系守衛(wèi)者  

如果星系完全由恒星和氣體組成的話，根據(jù)我們對(duì)引力的理解，恒星距離星系中心越遠(yuǎn)，它們的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)越慢。這是因?yàn)樾窍档拇蟛糠仲|(zhì)量都集中在中心，所以越靠近中心感受到的引力也越強(qiáng)。

然而，上個(gè)世紀(jì)70年代，天文學(xué)家魯賓（Vera Rubin）和福特（Kent Ford）在對(duì)我們鄰近的仙女座星系進(jìn)行觀測(cè)后，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象——氣體和恒星的運(yùn)行速度在超過(guò)特定的距離后開(kāi)始趨于平穩(wěn)，而非像理論預(yù)期那樣下降。

這是非常令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，如果在星系外側(cè)的物體運(yùn)行的速度如此之快，它們應(yīng)該早就已經(jīng)飛離星系的掌控，使星系分崩離析。但這樣的事情并沒(méi)有發(fā)生，為什么？究竟是誰(shuí)在默默地守衛(wèi)著星系?

有一種可能是，在星系尺度上，現(xiàn)有的引力理論需要被修正，這個(gè)可能性不能夠自洽地解釋宇宙學(xué)的觀測(cè)而被基本放棄。另一個(gè)可能是，星系中包含了大量看不見(jiàn)的物質(zhì)，從而提供了額外的引力。這些看不見(jiàn)的物質(zhì)也被稱為暗物質(zhì)。

那么，暗物質(zhì)究竟是什么？

  候選粒子  

理論學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)極有可能是一種或多種從未被發(fā)現(xiàn)的新粒子。為此，他們提出了許多假想的候選粒子，但這些粒子的質(zhì)量和性質(zhì)有著很大的不確定性。有一類理論預(yù)言暗物質(zhì)由一種“弱相互作用重粒子”（WIMP）組成，由于能夠自然的解釋今天宇宙中觀測(cè)到的暗物質(zhì)密度而備受青睞。

目前，尋找WIMP暗物質(zhì)的方法共有三種：直接探測(cè)、間接探測(cè)和對(duì)撞機(jī)探測(cè)。在過(guò)去幾十年中，全球各地有許多實(shí)驗(yàn)室都在通過(guò)這三種途徑來(lái)全方位尋找暗物質(zhì)的蹤跡。不同的實(shí)驗(yàn)所能搜索的暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量范圍也是有限的，這是因?yàn)樘綔y(cè)器都有其探測(cè)閾值，如果暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號(hào)低于閾值，就無(wú)法被觀測(cè)到。

目前，中國(guó)不僅有“悟空”號(hào)衛(wèi)星通過(guò)間接手段尋找暗物質(zhì)，也有錦屏地下實(shí)驗(yàn)室直接尋找暗物質(zhì)粒子與原子核的碰撞。 

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建于2009年，這是我國(guó)第一個(gè)深地實(shí)驗(yàn)室。之所以建于地底深處，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室上方的巖石能夠有效地?fù)踝∮钪婢€，使宇宙線背景信號(hào)降低到極低的水平。但厚重的巖石層卻無(wú)法阻擋暗物質(zhì)的腳步，因此，正如上海交通大學(xué)教授、科學(xué)探索獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人劉江來(lái)所說(shuō)：“我們有了機(jī)會(huì)能夠在2400米的山下仰望充滿暗物質(zhì)的星空。”

《從地下2400米看宇宙》——?jiǎng)⒔瓉?lái)在2021年“青年科學(xué)家502論壇”的報(bào)告。

同樣是在2009年，在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的PandaX實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)。在PandaX實(shí)驗(yàn)中，為了更好地屏蔽來(lái)自探測(cè)器外圍的放射性物質(zhì)的干擾，研究人員在外圍搭建了鉛、銅和聚乙烯組成的被動(dòng)屏蔽體。這些材料能夠很好地阻擋伽馬射線和中子。

PandaX實(shí)驗(yàn)主要尋找WIMP的質(zhì)量區(qū)間大約在1GeV至~10TeV （eV表示電子伏特），也已經(jīng)取得了豐碩的成果，對(duì)WIMPs可能出現(xiàn)的范圍做出了非常強(qiáng)的限制。但如何進(jìn)一步擴(kuò)大PandaX實(shí)驗(yàn)的搜索區(qū)間呢？比如去探測(cè)那些質(zhì)量小于1GeV的輕暗物質(zhì)（即sub-GeV暗物質(zhì)）。

  讓宇宙線來(lái)加速  

當(dāng)暗物質(zhì)恰好撞上探測(cè)器中的原子核時(shí)，會(huì)將能量傳遞給原子核，使其產(chǎn)生一個(gè)反沖信號(hào)（如下圖所示）。由于輕暗物質(zhì)的質(zhì)量過(guò)輕，由此產(chǎn)生的核反沖信號(hào)的能量也過(guò)低，很難達(dá)到探測(cè)器的測(cè)量閾值，從而無(wú)法被探測(cè)到。

如果輕暗物質(zhì)粒子想要在PandaX探測(cè)器中留下可觀測(cè)的信號(hào)，那么它們就需要通過(guò)某種方式獲得足夠高的動(dòng)能。

2019年，物理學(xué)家Torsten Bringmann和Maxim Pospelov提出一種新奇的可能性。他們認(rèn)為，既然暗物質(zhì)能夠與原子核相互作用，那么它們應(yīng)該也可以與高能宇宙線（主要由質(zhì)子和氦組成）作用。在這個(gè)情況下，不是暗物質(zhì)將能量傳遞給宇宙線，而是宇宙線加速了暗物質(zhì)，使其具有更高的能量。如此一來(lái)，獲得宇宙線加速的輕暗物質(zhì)（以下簡(jiǎn)稱CRDM）就能夠在探測(cè)器中留下超過(guò)探測(cè)閾值的信號(hào)。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了用PandaX探測(cè)過(guò)去不可能探測(cè)到的輕暗物質(zhì)的途徑，那么接下來(lái)我們需要找到CRDM產(chǎn)生的信號(hào)的特別之處，以將它們與背景事例或傳統(tǒng)暗物質(zhì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

  一個(gè)有趣的效應(yīng)  

2021年，葛韶鋒、袁強(qiáng)、周寧和劉江來(lái)在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇論文中提出了CRDM的一個(gè)獨(dú)特特征：周日調(diào)制效應(yīng)。

在銀河系中，宇宙線和暗物質(zhì)是廣泛存在的，但它們的分布是不均勻的。暗物質(zhì)和宇宙線的密度會(huì)隨著其在星系中的位置而變化，越往星系中心密度越高。這將導(dǎo)致大量的CRDM是來(lái)自銀河系中心方向的，從而呈現(xiàn)出各向異性的分布。然而，CRDM的各向異性分布是無(wú)法被直接繪制的，這是因?yàn)橹苯犹綔y(cè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法得知入射暗物質(zhì)粒子具體來(lái)自哪個(gè)方向。

進(jìn)一步的研究，使研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的效應(yīng)。在CRDM抵達(dá)探測(cè)器時(shí)，暗物質(zhì)實(shí)際上已經(jīng)在地球內(nèi)部穿行了一定的距離，由于地球不停地自轉(zhuǎn)，穿行的距離從2.4千米到13000千米不等。如果暗物質(zhì)和原子核的散射截面（用字母σ表示，描述了兩個(gè)粒子在特定條件下的相互作用的概率）足夠大，那么暗物質(zhì)將頻繁地與物質(zhì)發(fā)生散射，地球也將成為暗物質(zhì)粒子的屏蔽體。這就意味著，當(dāng)銀河系中心和探測(cè)器在地球的兩側(cè)時(shí)，會(huì)因?yàn)镃RDM穿行的距離越大而導(dǎo)致其抵達(dá)探測(cè)器的流量顯著下降；但如果它們?cè)谕粋?cè)時(shí)，則暗物質(zhì)導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度將達(dá)到最高。

之后，研究人員定義了一個(gè)CRDM的存活概率，即抵達(dá)PandaX實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的CRDM流量和抵達(dá)地球的CRDM流量之比。所以，當(dāng)繪制CRDM的存活概率隨恒星時(shí)改變時(shí)，就會(huì)看到由于地球的自轉(zhuǎn)，存活概率也會(huì)發(fā)生周期變化。這就是所謂的周日調(diào)制效應(yīng)。

下圖所描繪的正是一個(gè)恒星日（0-24小時(shí)范圍內(nèi)）的周日調(diào)制效應(yīng)。可以看到，當(dāng)散射截面為10?32cm2時(shí)，CRDM的存活概率在64%-95%范圍內(nèi)變化。借助周日調(diào)制效應(yīng)，就可以有效地區(qū)分暗物質(zhì)信號(hào)和背景示例。

  搜尋CRDM  

今年四月，崔祥儀、葛韶鋒、袁強(qiáng)、周寧和劉江來(lái)等人在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了PandaX二期實(shí)驗(yàn)尋找CRDM的最新結(jié)果。

在PandaX二期實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)器的核心容器（如下圖所示）包含了580公斤的液氙。當(dāng)外部的粒子（比如WIMP）穿過(guò)巖石抵達(dá)探測(cè)器時(shí)，它可以與液氙相互作用，產(chǎn)生第一次閃光（S1）和自由電子（e?）。自由電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下，向探測(cè)器的上方漂浮，并在氣氙里產(chǎn)生第二次閃光（S2）。這兩次閃光都會(huì)被探測(cè)器頂部和底部的光電倍增管陣列記錄，它們的相對(duì)亮度會(huì)揭示信號(hào)是由什么粒子產(chǎn)生的。

在新的研究中，研究人員提取了PandaX二期實(shí)驗(yàn)完整的數(shù)據(jù)集。除了獨(dú)特的恒星時(shí)，研究人員還考慮了事件的高反沖能量分布特征。這兩個(gè)明顯的特征被用來(lái)抑制背景，從而顯著提高信號(hào)的靈敏度。

盡管實(shí)驗(yàn)沒(méi)有在預(yù)期的背景之上發(fā)現(xiàn)明顯的暗物質(zhì)信號(hào)，但也對(duì)CRDM和核子之間的相互作用設(shè)定了新的排除極限。在下圖中，縱軸顯示的是暗物質(zhì)與核子的散射截面，橫軸是暗物質(zhì)的質(zhì)量。圖中紅色區(qū)域表示的便是PandaX二期實(shí)驗(yàn)排除的暗物質(zhì)可能出現(xiàn)的范圍，即暗物質(zhì)-核子在10?31cm2至10?2?cm2之間的散射截面。這一方法對(duì)輕暗物質(zhì)給出的限制超過(guò)了天體物理學(xué)和宇宙學(xué)探測(cè)器所能達(dá)到的。未來(lái)，利用新一代的PandaX四噸級(jí)的數(shù)據(jù)，將可以對(duì)CRDM進(jìn)行更靈敏的搜索。

  未來(lái)可期  

十年前，物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中首次發(fā)現(xiàn)了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖——希格斯玻色子，這是粒子物理學(xué)家經(jīng)歷了數(shù)十年努力的結(jié)果。而我們現(xiàn)在所面對(duì)的是尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的全新的、未知的粒子，我們自然需要有更多的耐心。

每一次的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都是朝終極目標(biāo)所邁出的一小步。而在尋找sub-GeV的輕暗物質(zhì)粒子，以及拓展暗物質(zhì)探測(cè)器的探索到所能探索的質(zhì)量區(qū)間，PandaX二期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。