探索宇宙魅影——暗物质

10月31日，由中国科学院高能物理研究所、中国科技馆和英国国家研究与创新局科技设施委员会联合主办的主题为“探索宇宙奥秘”的2019国际暗物质日北京区域活动在北京举行。中英两国的一些专家学者共同推广了暗物质的研究进展，并通过“天”、“地”、“人”三个实验，共同探讨了寻找暗物质粒子的可能途径。现场还通过网络视频链接展示了位于英国北约克郡东北海岸以下1.1公里的中国金平地下实验室和毕博煤矿地下实验室。300多名科技爱好者参加了这次活动，近5万名观众在网上观看了活动。

粒子物理学面临最严峻挑战

“自20世纪20年代以来，越来越多的天文观测表明，在星系到宇宙的尺度上有一些现象与牛顿和爱因斯坦的引力理论不一致:有大量不可见的‘暗物质’——它没有电磁相互作用，不发光，也不吸收光，这是宇宙中一个神秘的幻影。”中国科学院高能物理研究所成员陈和生作了题为《寻找宇宙的幻影——暗物质》的报告。

陈和生说:“几十年来，各种天文观测明确支持‘暗物质’的存在，并观察到‘暗物质’在宇宙物质总量中的比例。电磁波可见的物质约占宇宙的5%，而暗物质和暗能量占95%。因此，粒子物理学面临着最严峻的挑战。人类只看到“井底之蛙”暴露的那一部分，而我们仍然对宇宙的95%一无所知。

陈和生认为暗物质和暗能量是21世纪初物质天空中的两朵乌云。在过去的30年里，寻找暗物质一直是国际粒子物理实验的热点之一。目前，主要有三种方法:第一，在超高能大型对撞机中产生暗物质候选粒子；第二，暗物质是在外层空间间接探测到的，例如丁肇中教授在国际空间领导的阿尔法磁谱仪实验和中国的“悟空”卫星。第三，通过深入实验直接检测。暗物质和暗能量对物理学提出了严峻的挑战，这也意味着物理学在21世纪面临重大突破的历史性机遇。今天，物理学正处于一场重大革命的前夕。我希望中国物理学家能为这场革命做出巨大贡献。

广阔的太空实验室寻找暗物质

为了区分电荷符号和测量带电宇宙射线的基本特性，需要在外层空间放置磁谱仪中国科学院高能物理研究所研究员李祖浩在活动现场发表的“太空暗物质探测”报告中说，宇宙是最大的实验室，我们对宇宙的了解是有限的。国际空间站上的阿尔法磁谱仪目前是长时间(20年)精确测量宇宙射线的唯一方法。

阿尔法磁谱仪实验是由中国诺贝尔奖获得者丁肇中先生领导的大型国际合作项目。中国科学院高能研究所是这项实验的发起人之一。用于实验的磁铁是由中国开发的。这是人类第一次将一块巨大的磁铁送入太空，美国宇航局第一次携带一个中国制造的装置。自2011年5月国际空间站安装阿尔法磁谱仪以来，它已经连续8年多时间收集了超过1400亿个宇宙射线案例。在物理研究方面已经取得了一系列意想不到的重要成果，例如寻找暗物质和反物质，以及揭示宇宙射线起源、加速和传播规律的精确宇宙射线。李祖浩透露，目前阿尔法磁谱仪的正电子数据符合暗物质理论，但其他来源如脉冲星也不能排除。预计将持续到2028年。通过收集更多的数据以进一步减少误差，有望证实正电子过剩是否源于暗物质。

云雾罩“捕捉”的暗物质

目前，探测暗物质的方法主要有三种:天体-间接探测暗物质湮灭产物，地球-直接探测暗物质和物质的直接散射，以及产生暗物质的人造对撞机清华大学工程物理系的钱月教授作了题为《金瓶梅的新篇章——盘古》的报告，把天地分开了。暗物质的直接探测是将探测器放置在地下实验室，静静地等待暗物质粒子与它碰撞，也称为“等待兔子”法。

中国锦屏地下实验室位于四川省雅砻江锦屏深埋隧道内。它是世界上垂直岩石覆盖最深的实验室，覆盖2400米。实验室目前正在进行“盘古”和“熊猫”两个主要的暗物质探测实验。他们各自的实验结果于2018年公布，并取得了国际领先地位。到2017年底，金平二将被列为“十三五”国家科技基础设施建设重点。未来，它将有30万立方米的总体积和四个实验大厅。它将被建成世界上最深、最大的地下实验室，并成为世界上研究暗物质的高地。

上海交通大学副教授杨勇介绍了暗物质“捕捉器”熊猫项目，并取得了消除所有可疑暗物质信号等重要成果。未来，他计划在4 -30吨最终液态氙探测器上进行实验，希望在主流暗物质理论预测的核心参数空间上取得突破。

爱丁堡大学的刘欣然教授应邀发表了《英国暗物质实验研究报告》，介绍了英国伯比地下实验室20年来开展暗物质探索和研究的相关情况和未来发展计划。

据了解，国际“暗物质日”科普活动是“国际高能物理互联合作组织”在世界范围内发起的一项大型科普活动，旨在通过一系列专题活动促进公众对暗物质的理解。高能物理国际互联合作组织(High Energy Physics International interconnect Cooperation Organization)是一个由粒子物理传播者组成的全球性组织，由欧洲核子研究中心(CERN)、美国费米国家实验室(Fermi National Laboratory)、英国科学技术设施委员会(Council of Science and Technology Facilities)、日本高能加速器研究所(Japan High Energy Accelerator Research Institute)、中国科学院高能物理研究所(Institute of High Energy Physics)等10中国科学院高能物理研究所作为该小组的成员之一，与上海交通大学在中国共同赞助了这些活动。