LHAASO 如何探測暗物質(zhì)?

一、我們的宇宙很“黑暗”

理解我們所生存的宇宙一直是人們孜孜以求的目標(biāo)。根據(jù)日月星辰的運(yùn)動，人們從中掌握了晝夜交替和季節(jié)變化的規(guī)律，并將其用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和歷法授時；通過行星的精確運(yùn)動規(guī)律，開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動三大定律并導(dǎo)致了牛頓提出萬有引力定律；望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明極大地拓展了我們的視野，引導(dǎo)我們對宇宙的認(rèn)識逐步走出太陽系、走出銀河系、走向極其深遠(yuǎn)的宇宙空間。圖1形象地展示了我們宇宙宏大、豐富的層次結(jié)構(gòu)以及地球在宇宙中是處于何種微不足道的位置。

圖1 宇宙的層次結(jié)構(gòu)

在認(rèn)識宇宙的過程中，一個很自然的問題就是，宇宙中有些什么物質(zhì)(物體)以及有多少物質(zhì)？回答這個問題需要一項(xiàng)非?；镜募寄堋o天體“稱重”(測量質(zhì)量)。但天體是遙不可及的，如何能夠測量它們的質(zhì)量呢？天文學(xué)家很巧妙地想到了利用天體的運(yùn)動來推斷質(zhì)量，本質(zhì)上是根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二運(yùn)動定律。比如在太陽系內(nèi)，行星繞著太陽做近似圓周運(yùn)動，運(yùn)動的速度隨著離太陽的距離增加而下降，反比于距離開平方根，即開普勒第三定律描述的內(nèi)容。太陽系行星運(yùn)動觀測結(jié)果的確非常完美地符合這個規(guī)律，見圖2(a)。根據(jù)圖中的數(shù)值我們可以簡單地做個計算，比如地球離太陽的距離為1 個天文單位，約1.5億千米，地球繞太陽運(yùn)動的速度約為30千米每秒，我們可以得到太陽的質(zhì)量約為2×1030千克。太陽系里如此，我們自然預(yù)期在星系里也應(yīng)該有類似的現(xiàn)象，唯一的區(qū)別是太陽在太陽系里可以被作為點(diǎn)質(zhì)量，而星系里星星的分布范圍會更廣一些。然而觀測結(jié)果卻出乎意料：星系中天體繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度并不像太陽系中那樣越遠(yuǎn)的地方轉(zhuǎn)動越慢(圖2(b)虛線所示)，而是越到外圍轉(zhuǎn)得越快(綠點(diǎn)所示)！這給我們一個啟示，可能在星系空間中存在一些不發(fā)光的物質(zhì)，雖然我們看不見它，但它卻通過引力影響著天體的運(yùn)動。人們將這種假想的物質(zhì)稱為暗物質(zhì)。

圖2 太陽系行星繞日運(yùn)動速度隨距離的變化關(guān)系(a)，M33 星系中天體繞星系中心旋轉(zhuǎn)速度隨距離的變化關(guān)系(b)

話說“孤證不立”，如果只是單一的證據(jù)，那便不足取信。事實(shí)上天文學(xué)家在很多天文觀測中都發(fā)現(xiàn)了需要存在額外物質(zhì)才能解釋的現(xiàn)象，大到宏觀宇宙，小到矮星系尺度；方法上也不僅限于測量天體的運(yùn)動，人們還用上了諸如引力透鏡效應(yīng)、星系計數(shù)等等?？偠灾?，現(xiàn)代天文學(xué)觀測告訴我們宇宙的組分只有約5%是由原子構(gòu)成的恒星、氣體等我們稱之為普通物質(zhì)的天體，有約25%是上面提到的暗物質(zhì)，還有約70%是一種更為神秘的、驅(qū)動宇宙加速膨脹的暗能量。我們的宇宙實(shí)際上是籠罩在“黑暗”之中。暗物質(zhì)和暗能量的物理本質(zhì)被譽(yù)為新世紀(jì)物理學(xué)的“烏云”，認(rèn)識它們很可能會導(dǎo)致基礎(chǔ)物理學(xué)的革命性突破。

二、暗物質(zhì)是黑洞嗎？

我們知道黑洞是一種具有極強(qiáng)引力場的物體，即便是光都無法逃離黑洞的引力，因此才得名為黑洞。觀測上我們也確實(shí)發(fā)現(xiàn)宇宙中存在大大小小的黑洞，比如在銀河系的中心存在一個四百萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，而激光干涉儀引力波天文臺發(fā)現(xiàn)的引力波信號，更是恒星級質(zhì)量黑洞存在的直接證據(jù)。那么如果宇宙中遍布著黑洞，它們也不發(fā)光，是否就可以解釋暗物質(zhì)現(xiàn)象呢？

的確在很早的時候人們想象中的暗物質(zhì)就是類似黑洞這樣的天體，不僅僅是黑洞，還包括一些別的發(fā)光非常暗弱的天體，人們給這類天體起了個名字叫“大質(zhì)量致密暈狀天體”，簡稱為MACHO。MACHO發(fā)光很弱或者不發(fā)光，直接觀測它們非常困難。天文學(xué)家發(fā)明了一種辦法來觀測它們。如果一個MACHO天體位于地球和某顆恒星之間，它的引力將會偏折恒星發(fā)出的星光，產(chǎn)生一種稱為微引力透鏡的現(xiàn)象。MACHO天體越多，這種微引力透鏡事件就會越頻繁發(fā)生。通過一系列搜尋微引力透鏡的努力，人們發(fā)現(xiàn)觀測到的微引力透鏡事件率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到解釋暗物質(zhì)現(xiàn)象所需的MACHO數(shù)量。因此MACHO或者說黑洞這條路基本上是行不通的(但這個問題目前還不能下絕對定論，因?yàn)槿魏斡^測都有一定的局限性，如果MACHO質(zhì)量位于某些特定范圍，它們?nèi)匀豢赡軜?gòu)成暗物質(zhì)。不過需要注意到這種可能性比較低)。此外，天文觀測結(jié)果還表明暗物質(zhì)的物理屬性應(yīng)該和普通物質(zhì)不同，即它們根本就不能由構(gòu)成普通世界的原子構(gòu)成，否則宇宙面貌跟今天觀測到的結(jié)果將截然不同。

三、暗物質(zhì)是一種新粒子嗎？

如果說暗物質(zhì)不是黑洞，也不是由普通物質(zhì)構(gòu)成的任何不發(fā)光天體，那么最大的可能性便是某種尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子了。普通物質(zhì)主要由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成，或者更基本一點(diǎn)，由夸克和電子構(gòu)成。除此之外，宇宙中穩(wěn)定存在的粒子還有光子和中微子。通過粒子對撞機(jī)和宇宙線，人們還發(fā)現(xiàn)了少量的反物質(zhì)粒子，以及多種不穩(wěn)定粒子。但是所有這些粒子表現(xiàn)出來的性質(zhì)都不符合天文觀測所揭示的暗物質(zhì)屬性，因此很有可能暗物質(zhì)是某種或者某些尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子。在理論物理學(xué)家眼里，這樣的新粒子五花八門、形形色色。其中最受青睞的一類粒子，人們也給它們起了個名字，叫做弱相互作用大質(zhì)量粒子，簡稱WIMP。

弱相互作用是大自然的四種相互作用之一，典型的弱相互作用過程是中微子和物質(zhì)的相互作用。弱相互作用名副其實(shí)，例如中微子幾乎都可以穿越整個可觀測宇宙而不發(fā)生任何碰撞。天文觀測得到的關(guān)于暗物質(zhì)的證據(jù)均是來自于引力相互作用，而暗物質(zhì)顯然應(yīng)該不具有電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，否則我們應(yīng)該能夠很容易地看到它們發(fā)出電磁輻射或者和物質(zhì)強(qiáng)烈碰撞等。暗物質(zhì)可能具有弱相互作用，這符合目前所有的觀測事實(shí)。這樣的話我們就有可能在實(shí)驗(yàn)室里探測到暗物質(zhì)，就類似于通過大型實(shí)驗(yàn)裝置探測到中微子一樣。暗物質(zhì)即使具有弱相互作用，這種相互作用的強(qiáng)度也必定非常弱，因此探測暗物質(zhì)非常具有挑戰(zhàn)，需要很大規(guī)模、很高精度的探測設(shè)施。當(dāng)然暗物質(zhì)也可能沒有弱相互作用，那樣的話我們只能說很遺憾，認(rèn)識暗物質(zhì)本質(zhì)的唯一窗戶也被關(guān)上了。

科學(xué)家們提出了幾種方案來探測WIMP暗物質(zhì)粒子。最直接的方案就是去探測暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)粒子(例如原子核)的碰撞反應(yīng)，這種碰撞就像打臺球一樣，不過我們不能直接看到“白球”的軌跡，而需要通過被“白球”擊中的“彩球”的運(yùn)動來推斷“白球”的性質(zhì)。這種方法也被稱為直接探測。如果存在這類的碰撞反應(yīng)，那么我們便有可能觀察到被撞之后的原子核的運(yùn)動，可能以電離、發(fā)光或者發(fā)熱等方式呈現(xiàn)出來。目前國際上正在或計劃開展的暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)有數(shù)十個，中國在四川錦屏深地實(shí)驗(yàn)室中也正在進(jìn)行兩個直接探測實(shí)驗(yàn)，PandaX和CDEX。

第二種方案是通過高能粒子對撞機(jī)撞出暗物質(zhì)粒子。歷史上有很多的新粒子都是通過粒子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的，例如丁肇中教授發(fā)現(xiàn)的J/ψ粒子和2012年大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的“上帝粒子”——希格斯粒子。如果對撞粒子的能量和數(shù)量足夠，將有機(jī)會能夠產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。但這個方法需要建造大型粒子加速器，成本非常高昂。

第三種方案稱作間接探測。理論上預(yù)期WIMP暗物質(zhì)粒子可以發(fā)生自湮滅或者衰變，變成普通物質(zhì)粒子，這些粒子會混跡在宇宙射線中，因此通過宇宙射線實(shí)驗(yàn)有可能會觀測到它們從而反推出暗物質(zhì)粒子的屬性。相比較前面兩種方法，這種方法顯得更加間接一些，因?yàn)橛^測暗物質(zhì)湮滅或衰變后留下的遺跡畢竟還是不如直接探測那樣“抓現(xiàn)行”。但三種方案各有優(yōu)勢，互為補(bǔ)充。間接探測實(shí)驗(yàn)國際上也有好幾個項(xiàng)目正在進(jìn)行。中國于2015 年底發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號，其主要科學(xué)目標(biāo)就是通過高精度觀測宇宙射線來揭示暗物質(zhì)的屬性。三種探測WIMP暗物質(zhì)粒子的方法原理圖見圖3。

圖3 三種探測WIMP暗物質(zhì)的原理示意圖

四、LHAASO 如何探測暗物質(zhì)？

正在四川稻城建設(shè)的大型基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO）是一個高海拔、大視場、平方千米級、復(fù)合式探測技術(shù)的宇宙射線和伽馬射線觀測站。LHAASO通過觀測高能宇宙射線粒子在空氣中形成的級聯(lián)簇射產(chǎn)生的次級粒子來測量宇宙射線?？諝獯厣涞陌l(fā)展從大氣層頂部開始呈現(xiàn)出先增長后衰減的方式，LHAASO 選擇在海拔4400米的高山上做實(shí)驗(yàn)，正好可以測量到簇射發(fā)展比較充分的階段，有利于做出精確的測量。LHAASO采用了三類不同的探測器來探測次級粒子，包括覆蓋1.3平方千米面積的表面粒子探測陣列KM2A，覆蓋7.8萬平方米的水切倫科夫光探測陣列WCDA，和18臺廣角大氣切倫科夫光望遠(yuǎn)鏡WFCTA。三類探測器既可以相互驗(yàn)證又可以優(yōu)勢互補(bǔ)，共同實(shí)現(xiàn)寬能段、高精度的宇宙射線和伽馬射線觀測。LHAASO視場很大，每一時刻可以覆蓋約15%天區(qū)，借助地球自轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)對幾乎整個北半天球的覆蓋。LHAASO計劃于2021年建設(shè)完成。前期1/4陣列將于2019年內(nèi)建成并開始試運(yùn)行。預(yù)期LHAASO將在宇宙射線起源和高能天體物理研究方面取得突破性進(jìn)展。

LHAASO也將會是暗物質(zhì)粒子探測的利器，基于上述間接探測的原理。LHAASO主要通過觀測伽馬射線來探測暗物質(zhì)。LHAASO探測暗物質(zhì)的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面。一是能段高，LHAASO將可以觀測數(shù)百GeV到一百萬GeV 的伽馬射線，而且在一萬GeV以上的能LHAASO的觀測靈敏度將達(dá)到世界最高水平。如果暗物質(zhì)粒子恰好位于這樣的高能量段，那么LHAASO將會是國際上最好的探測儀器。第二個優(yōu)勢是視場大。我們對暗物質(zhì)信號最強(qiáng)(或者說信噪比最高)應(yīng)該出現(xiàn)在哪里并沒有十足的把握，雖然像銀河系中心這樣的地方最有可能是暗物質(zhì)高度聚集之處，然而銀心的天體輻射也很強(qiáng)，導(dǎo)致銀心并不是暗物質(zhì)探測的首選。而暗物質(zhì)在銀河系內(nèi)可以形成為數(shù)眾多的子結(jié)構(gòu)，它們可能隨機(jī)地分布在各個地方。如果探測器的視場足夠大，就會明顯降低漏掉信號的可能性。LHAASO幾乎可以覆蓋整個北半天球，這對暗物質(zhì)探測非常重要。

暗物質(zhì)探測是目前物理學(xué)領(lǐng)域最前沿的熱點(diǎn)問題之一，全世界有幾十個相關(guān)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。近年來中國在這個領(lǐng)域也部署了一系列實(shí)驗(yàn)開展相關(guān)研究，在天上有“悟空”衛(wèi)星，在地面有LHAASO實(shí)驗(yàn)，在地下有錦屏實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)取得的部分成果已經(jīng)達(dá)到國際上最高的水平。希望在不遠(yuǎn)的將來中國在暗物質(zhì)探測方面能夠取得突破，引領(lǐng)物理學(xué)的新方向。