追踪暗物质大行动

在茫茫宇宙中，恒星间相互作用，进行着各种各样的规则的轨道运动，而有些我们却找不到其作用对应的物质。因此，人们设想在宇宙中也许存在着我们看不见的物质……

究竟什么是暗物质呢？科学家认为，暗物质一定不是我们熟悉的普通物质，普通物质由质子、中子和电子组成，称为“重子物质”，而暗物质则很有可能属于非重子物质。尽管人们对这种物质的本质和起源还不是十分清楚，但它们很有可能不是由重子类和轻子类的基本粒子构成的。科学家们将非重子暗物质又划分为“热暗物质”和“冷暗物质”两类。而科学家的模拟结果又显示，在宇宙的早期，首先是运动速度较慢的粒子合并成一些较小的结构，然后才发展成了我们今天观测到的星系和星系团，这些运动速度较慢的粒子被科学家们称为“冷暗物质”，它们的速度远远小于光速，既不反射光也不吸收光，相对于高速运动的“热暗物质”而言，它们更能解释宇宙的演化。天文学家们认为，宇宙中绝大多数暗物质是非重子暗物质，而在非重子暗物质中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。

那么，冷暗物质又是什么呢？从粒子物理学的角度，科学家们提供了可供选择的暗物质粒子，主要是“大质量弱相互作用粒子”（简称WIMP）。这种粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，但不参与电磁力作用。另外，暗物质的候选者还有轴子、超对称引力子、中性子等。

由于暗物质不与电磁发生作用，人们无法观测到它们，寻找它们的踪迹就成了现代物理学的重大课题，要了解暗物质的本质，人们必须证明暗物质粒子是的确存在的，那么科学家们该如何做呢？

用粒子加速器“撞”出暗物质

一种方法是，在粒子加速器中让质子流发生碰撞，然后探测碰撞产生的信号，这需要使用强大的粒子加速器，这种加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞，这样就可以模拟宇宙起源的“大爆炸”现象，从而有可能将暗物质粒子“撞”出来。

不过即使把暗物质粒子“撞”了出来，科学家们也看不到它们，只能通过仪器把它们检测出来。欧洲大型强子对撞机位于瑞士和法国交界处的地下，总长度约27千米，是世界上最强大的粒子加速器，它启动的撞击能产生极高的能量，被认为极有可能“撞”出包括暗物质粒子在内的各种奇异粒子，其中还包括一种被誉为“上帝粒子”的希格斯玻色子。有人认为，这种粒子可能和暗物质粒子就是同一种物质。希格斯玻色子又被称为希格斯粒子，是英国科学家彼得·希格斯提出的一种假想粒子，在粒子物理学标准模型中用来作为物质的质量之源，被认为是粒子形成质量的基础。不过科学家又认为，如果两者是同一种物质，那么希格斯玻色子就不会发生衰变，它们可能处于一种不带电荷的稳定状态中，如此一来，大型强子对撞机就无法捕捉到它们了。

2010年3月30日，欧洲大型强子对撞机成功地让两束质子流实现了对撞，撞击模拟了宇宙大爆炸后在不到亿万分之一秒时的状况，产生的能量达到7万亿伏，科学家们正期盼着撞击的结果能为探索暗物质、暗能量和宇宙的演化之谜带来重大突破。

低温暗物质实验

比使用粒子加速器探测暗物质更直接的方法是直接探测宇宙中暗物质粒子和原子核碰撞时所产生的信号，使用这种方法需要把探测器放到很深的地下以避免其他信号的干扰。科学家相信，地球每时每刻都有“大质量弱相互作用粒子”穿过，检测到这些粒子的信号就能证明这种粒子的存在。

在美国明尼苏达州的一个矿井下，一些科学家正在搜寻暗物质，他们将此项工作称为“低温暗物质搜寻”计划（简称CDMS）。“低温暗物质搜寻”计划的原理是，当暗物质粒子撞击“低温暗物质搜寻”探测器中的一个原子核时，会引起原子核的震动，从而被科学仪器探测到。研究人员在700多米深的矿井里用锗和硅的晶体捕捉暗物质粒子，他们的探测器被冷却到了零下273.15摄氏度。当一个“大质量弱相互作用粒子”撞击这些晶体时，它将引发震动，而震动又会使探测器的温度发生极微小的上升，从而在晶体表面产生非常微弱的电信号。分析这种电信号，科学家们便有可能捕捉到暗物质粒子的踪迹。2007年，探测器侦测到两次可能是“大质量弱相互作用粒子”的撞击事件。2009年12月，探测器又捕获到了两个可能是暗物质粒子击中原子核的信号。今年5月3日，这些科学家又宣布说，他们捕获到了一次记录，很有可能来自“大质量弱相互作用粒子”的撞击。研究人员认为，这是地球穿过一片“大质量弱相互作用粒子云”导致的结果，不过这些探测数据都有待进一步证实。

“费米”巡天

根据目前的理论，暗物质粒子衰变或相互作用后会产生稳定的高能粒子，如伽马射线、正电子、反质子、中微子等，因而测量这些高能粒子的信号也是发现暗物质粒子的一种方法。2008年6月，美国宇航局发射了一架名为“费米”的太空望远镜，这架望远镜长约2.8米。直径约2.5米。最初被称作“伽马射线广域空间望远镜”，待它发射升空后，又被命名为“费米”以作为对美籍意大利裔物理学家恩里科·费米的纪念。

“费米”的一项重要任务就是搜寻来自暗物质“湮灭”时产生的伽马射线。科学家认为，尽管“大质量弱相互作用粒子”不会和可见光发生作用，但它们之间撞在一起的时候会彼此摧毁对方而产生伽马射线，这个过程被称为“湮灭”，所以他们认为，探测伽马射线能够捕捉到暗物质的蛛丝马迹。