“暗物质的发现比上帝粒子更重要”

什么是暗物质？它的发现将有什么重要意义？与“上帝粒子”的发现相比，暗物质发现更重要吗？带着这些问题，早报记者采访了中科院理论物理研究所研究员李淼。

■ 中科院理论物理研究所研究员李淼科普暗物质

加拿大SNO地下实验室　　（地下2000米，2008年建成）

意大利GRAN SASSO 地下实验室　　（地下1700米，1987年建）

中国锦屏极深地下暗物质实验室实验厅　　（地下2400米，2010年投入使用）

全球主要地下实验室分布图。　　制图 郁斐

什么是暗物质？它的发现将有什么重要意义？与“上帝粒子”的发现相比，暗物质发现更重要吗？带着这些问题，早报记者采访了中科院理论物理研究所研究员李淼。

东方早报：暗物质与暗能量是一回事情吗？

李淼：暗物质有点像物质粒子，只是不发光而已；暗能量根本就不是粒子。暗能量这个概念相对年轻些，形成只有10年。暗物质这个概念就很老了，可以追溯到1933年，那一年天文学家Zwicky发现一个星系团中的星系速度比预期的要大，根据牛顿万有引力定律，意味着星系之间还有很多我们没有看到的物质，当时叫丢失了的物质。

东方早报：黑洞是暗物质吗？

李淼：黑洞与死掉的恒星都是存在的，但是天文学家通过观测，通过微引力透镜的手段观测到，所有死掉的恒星和黑洞，它们的质量加起来，不足以解释暗物质。因为暗物质占宇宙质量的25%（外电报道称是23%），恒星和黑洞质量加起来远远不到这个量。

东方早报：人会被一堵墙挡住，太空飞船在太空飞行时会被暗物质挡住吗？

李淼：不会。暗物质为什么会有那么大的质量呢？暗物质跟普通物质的相互作用很弱，但这并不代表没有质量。暗物质与其他物质伴生，有物质的地方就有暗物质，但分布得更广。比如说，在有恒星、星系的地方一定有暗物质，但暗物质要比这些星系占的空间大许多，所以暗物质的质量比星系质量大。

东方早报：报道中称，WIMP只是暗物质的一个候选体，什么叫候选体？

李淼：暗物质有很多种可能性，只要有质量不发光就行，最早的可能性是死掉的恒星或黑洞，但这种可能性被天文学研究所排除，粒子的可能性更大，如果是粒子的话，就有几种可能性，一种极弱相互作用，也可能是一种特别的中微子。如果极弱相互作用，正负电子对会反常，其他中微子不会有这样的效果。

东方早报：如果暗物质真的被发现，有应用价值吗？

李淼：应用价值暂时谈不上，但起码解决了一个多年的谜题。通过万有引力很难解释一些物理现象，太阳系或者银河系为何能维持现在的状态，光靠可见物质的引力是无法解释的，但在暗物质的假设模型里就可以解释。

东方早报：暗物质如果被发现，会动摇量子理论和相对论吗？

李淼：它不会动摇20世纪的量子理论和相对论，还是在这个框架内解释。

东方早报：去年科学家发现了“上帝粒子”，如果这次的发现最后被证实是暗物质，两个发现哪个更重要？

李淼：这个发现要比“上帝粒子”发现更重要。如果没有上帝粒子，我们的粒子标准模型就是不完备的。但是如果没有暗物质，粒子标准模型也是完备的，只是天文学家和宇宙学家会困惑。如果丁肇中团队的发现被确认，这肯定是这几十年来的重要科学发现。

延伸阅读

中国暗物质实验室全球最深，条件最好

地下实验室是暗物质实验一个必不可少的条件。目前，全球的地下实验室有十几个，为了避免专门挖掘地下实验室的高成本，它们都是利用已有的土建设施，基本分为两类，一类是利用废弃的矿井，比如美国700米深的SOUDAN地下实验室，在建的DUSEL地下实验室有几百米到2400米深的多个实验厅。另一种是利用隧道，在隧道里横向挖出实验大厅。最著名的有意大利的GRAN SASSO 地下实验室，入口建在一条10公里长高速路隧道的中部，上方有1700米岩石覆盖，实验室内有3个各100米长、20米宽、20米高的实验大厅和众多较小的实验厅和通道，内容积目前世界第一。

2010年12月，中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅，尽管目前大厅总容积不是很大，但它是目前世界上条件最好的地下实验室：首先，它是当前世界上最深的地下实验室，上方有2.5公里岩层覆盖，宇宙射线通量最少，每平方米每周只有一个μ子通过，比意大利GRAN SASSO实验室小300倍。其次，地下实验室所在处不是花岗岩，而是大理岩，其自然放射性相当低，实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低，和意大利GRAN SASSO的岩石相比，放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数，包括宇宙射线通量、光子和中子的通量，都在测量之中。

DAMA实验

DAMA实验位于意大利的GRAN SASSO地下实验室，选取碘化钠晶体做探测器，使用了非常灵敏的光电管来探测碰撞后产生的光信号，光电管可以探测到一个光子（肉眼在白天每秒会看到1016个光子）。中科院高能所有几位科学家是该实验组成员。DAMA经过了十几年的观测，宣布发现了WIMP的年调制信号，所谓年调制， 是指WIMP相对于太阳的速度是一定的，而地球在围绕太阳公转，因此，WIMP相对于地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信号的事例率也会有周期一年的起伏。不过这一结果没有得到其他实验组的证实。

CRESST实验

CRESST实验同样位于GRAN SASSO，该实验使用钨酸钙（CaWO4）晶体作为探测器。它们将晶体冷却到零下273摄氏度，只比绝对零度高0.05摄氏度。WIMP碰撞的热信号会造成晶体温度升高0.01摄氏度，再通过高灵敏度的“温度计”来测量温度变化。CRESST一期结果已经发表，没有找到暗物质，二期结果正在分析之中。

XENON100实验

位于GRAN SASSO地下实验室的XENON100实验是目前灵敏度最高的实验之一，上海交通大学是参加实验单位之一。XENON100使用了165公斤的液氙作为探测器，能够探测光信号和电信号，通过两者之间的比例关系，可以更有效地区分WIMP信号和外界普通粒子引起的信号，从而大大提高了实验灵敏度。在2010年初发表了一个月的观测结果，并没有看到暗物质粒子。目前该实验已经采集了一年的数据，正在紧张地进行数据分析。是否会发现暗物质粒子，大家都拭目以待。

CDMS实验

CDMS实验位于美国SOUDAN地下实验室，它使用硅晶体和锗晶体作为探测器。CDMS经过一年多的观测，在2009年底发表了测量结果，宣布找到了两例疑似WIMP信号事例。尽管有一定的可能性是噪声事例，还是引起了科学界的极大关注。

CoGeNT实验

CoGeNT实验使用高纯锗探测器来观测WIMP碰撞产生的电信号，也发现了疑似信号事例，还有待于进一步证实。

（该内容引自上海交通大学粒子物理宇宙学研究所研究员刘湘《寻找暗物质，锦屏来了》一文）

录入编辑：王卉