從20世紀40年代提出暗物質概念以來，宇宙觀察中發現的很多引力現象都表明宇宙中隱藏了大量的暗物質，其質量約占宇宙物質總質量的85% 。除了引力外，難道真的沒有其他辦法“看”到它了嗎？為此，從20世紀末就開始了一場偵測暗物質的大戰。由被動到主動，從地下到水下，從高空到太空的偵測活動不斷。科學家們采用了所能想到的各種探測手段，使用了各種可能的辨別或判斷暗物質的分析方法，想盡快揭示出深藏在宇宙中的秘密，將暗藏在宇宙中的物質大白于天下。暗物質和暗能量被認為是21世紀物理天空中的兩朵烏云。揭開這兩朵烏云的面紗將會對宇宙、對物質世界的認識帶來革命性的突破。我國也不例外，為探知暗物質建立了世界深的地下實驗室，開展了直接尋找暗物質碰撞的實驗，發射了專門探測暗物質的衛星，進展異常迅速，舉世矚目。 本書旨在向讀者深入淺出、圖文并茂地介紹有關“暗物質”的基本知識，了解暗物質的來由、偵測暗物質的方法和手段及其艱苦歷程，也展望了暗物質偵測的前景。
他是有故事的人。作者李金，中國科學院高能所研究員，清華大學客座教授。他可以告訴你暗物質的前世今生。他的故事中精彩的篇章是關于一個世界上深的地下暗物質探測實驗室。那是一個位于四川省錦屏山2400米花崗巖下面的一個不大的空間，卻是中國個用于開展國際前沿基礎研究課題的地下實驗室。當然，有很多人期待不久的將來，在這里能夠獲得世界暗物質領域的尖端成果。它暗藏在宇宙中。暗物質，既不發光，也不和光發生作用，不僅在沒有光的黑暗中看不到它，即使是在有光線的環境中也透明而同樣看不到它。正是這種不發光又透明、在任何環境下都無法看到卻又有質量的物質，像謎一樣吸引著眾多的探秘者，人們正在根據各種觀測現象對它做出各種推測和研究。目的就是要找到它——暗物質。迄今為止的研究認為，暗物質是宇宙的重要組成部分，它密度非常小，但是數量龐大，因此它的總質量很大，它代表了宇宙中96%的物質存在。如果不能找出它來，我們的宇宙就仿佛缺失了一大塊。為此，很多科學家窮盡各種辦法，一定要設法發現它、找出它，甚至為此上天入地......
作者李金，1964年畢業于中國科學技術大學，曾任中科院高能所總師，研究室主任，BES國際合作發言人。曾以訪問學者或客座教授身份在美國，日本，英國，法國，臺灣等從事高能物理研究工作。近十幾年為清華大學客座教授。50多年來從事核反應研究；核爆炸輻射測量；核探測技術研究；高能粒子對撞機譜儀BES的研制，建造和升級；正負電子對撞物理實驗研究；近20年從事中微子和暗物質實驗等前沿課題研究。曾獲科學院重大科研獎和自然科學一等獎、國家自然科學二等獎、國家科學技術進步二等獎、中國物理學會“吳有訓物理獎”、 獲國家政府津和國家“中青年有突出貢獻專家”稱號。曾發表科學論文和科普文章300余篇，編寫了清華大學研究生講義(現代輻射物理與探測)，與他人合著科學書籍( 北京譜儀正負電子物理，北京譜儀II正負電子物理)等。現任中國物理C”Chinese Physics C”刊物的科學編委。
第1章.詭秘暗物質的由來
1.1.什么是暗物質？/5
1.2.詭異的暗物質真的存在嗎？/12
1.3.可能的暗物質/26
1.4.為什么要探尋和研究暗物質/30
第2章.暗物質的偵測方略
2.1.暗物質粒子的基本性質/45
2.2.暗物質粒子的偵測方略/49
2.3.暗物質粒子WIMP的直接探測/56
2.4.暗物質粒子WIMP的間接探測/72
2.5.人工產生暗物質粒子/79
第3章.偵測行動前赴后繼
3.1.尋找碰撞的直接偵測/88
3.2.尋找湮滅的間接偵測/115
3.3.人工產生暗物質的嘗試/131
第4章.找到暗物質粒子了嗎？
4.1.實驗證據的表述/142
4.2.暗物質粒子的跡象或證據/144
4.3.沒有看到任何“暗物質痕跡”/156
4.4.目前還很難回答的問題/165
4.5.展望未來/169
第5章.在世界最深的地下尋找暗物質
5.1.最深的地下物理實驗室——中國錦屏地下實驗室(CJPL)/185
5.2.CJPL開展的兩個直接探測暗物質的實驗/204
5.3.中國錦屏地下實驗室的未來發展——CJPL-Ⅱ /214
后語/223
參考文獻/225
圖片來源/232
1.1.什么是暗物質？“暗”的廣泛含義歷史上的“暗”物質事件1.2.詭異的暗物質真的存在嗎？不好理解的旋轉曲線星體光被嚴重彎曲奇特的大尺度星系團子彈星系團的碰撞宇宙中有多少暗物質？1.3.可能的暗物質暗物質天體暗物質粒子特別關注的WIMP粒子1.4.為什么要探尋和研究暗物質暗物質密切關系到宇宙的生成與演變夢寐以求的基本粒子小結
出于求知欲和好奇心，千百年來人類從未間斷對天文和宇宙的觀察與探求，從地面到高山，從高空到太空，從地下到海底。特別是近幾十年來，近百個不同類型的觀測設備被發射升空，實現了人類對宇宙的多方位和全波段的觀察。圖1.0.1列出了在地面、空中和太空觀察宇宙的各類望遠鏡及其相應的探測波段。特別是1990年由太空航天飛機發射升空的高分辨率哈勃望遠鏡(見圖1.0.2)，它拍攝的照片和提供的信息為我們釋疑了很多宇宙疑團，讓我們進入到宇宙觀測的新高峰，宇宙觀測的新時期。我們不僅認識了距我們最近的地球、月球、太陽和銀河系，我們還知道了類星體、超新星和脈沖星..也看到了非常遙遠的星系、星云、星系團..觀測范圍幾乎要到達約150億光年1甚至更遠的宇宙邊緣。利用不同波段光的觀察可以繪制出不同類型的宇宙(即不同波段的宇宙)：可見光宇宙、紅外宇宙、紫外宇宙、射電及微波宇宙、X射線及高能宇宙。放眼多波段宇宙，可以將豐富多彩的宇宙層層剝開，探索到包括恒星、星云和星系的宇宙的每個層次。今天，我們已經信心滿滿地觀察到幾乎所有不同波段的宇宙，可以說是一覽無遺地“看”到了整個宇宙。但萬萬沒想到，隨著宇宙觀測和天文學的發展，我們意識到我們所看到的浩瀚宇宙竟然只是宇宙很小的一部分，大部分是沒有觀察到的暗物質和暗能量。1 光年是距離的單位， 1光年是光在1年中走的距離。光在1秒中走的距離是30萬千米，一年有3153萬秒之多，1光年約為9.4億千米。
圖1.0.1.觀察宇宙的望遠鏡及相應的波段圖中的望遠鏡依次為：微波各向異性探測器(The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)；斯必澤紅外天文空間望遠鏡(Spitzer Space Telescope)；哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)；伊巴谷(Hipparcos)高精度視差采集衛星；太陽和太陽風層探測器(The Solar and Heliospheric Observatory，SOHO)；國際紫外探測器(The International Ultraviolet Explorer，IUE)；軌道運行的紫外望遠鏡(The Galaxy Evolution Explorer，GALEX)；錢德拉X射線觀察站(Chandra X-ray Observator)；X射線空間觀察站(High Throughput X-ray Spectroscopy Mission and the X-ray Multi-Mirror Mission)；伽馬射線空間望遠鏡(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory，INTEGRAL)。圖1.0.2.太空中的哈勃望遠鏡1.1什么是暗物質？我們知道宇宙中有兩類天體： 一類是像太陽那樣的發光的天體，在沒有光的環境中能被我們看到；另一類像月亮那樣，雖然不發光卻可以反射或吸收光，在有光照的環境中也能被我們看到。但是人們發現，還有一類很詭異的物質暗藏在宇宙中。它既不發光，也不和光發生吸收、反射或折射等作用，不僅在沒有光的黑暗中看不到它，在有光線的環境中也透明，同樣看不到它。這種不發光又透明，在任何環境下都無法看到卻又有質量的物質，被稱為暗物質，即暗藏在宇宙中的物質。當然，這里說的“光”不僅僅是指可見光，而是包括幾乎所有波段的“光”；這里說的“看”也不僅僅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的現代望遠鏡或探測器的觀察。因此，在暗物質的研究中，“暗”具有更為廣泛的含義。“暗”的廣泛含義“暗”的廣泛含義是什么？更廣泛意義的“暗”是基于更廣泛意義的“光”。光是什么？ 光實質上是電磁波。科學家通常依據波長把光(或稱電磁波)劃分為7個區段： 無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。圖1.1.1給出各種電磁波的波段及其相應波長。天文和宇宙科學借助于各種電磁波天文望遠鏡實現了對宇宙中天體的觀測。今天的天文觀測幾乎涵蓋了所有波段的電磁波。但是，不同探測設備對各波段“光”的響應不同，看到的圖像也不同。圖1.1.2所示為借助可見光與X光看到的世界和人，可見光只能看到表面，而X射線可以看到內部。同樣，我們借助紅外光、紫外光和X射線分別看到了不同的宇宙。圖1.1.3所示為同一星系在不同波段(射電、紅外、可見光、紫外及X 射線)下的圖像。
圖1.1.1.電磁波各波段的波長
(a) (b)圖1.1.2.用可見光與X光觀測到的世界和人(a)可見光；(b)X光
圖 1.1.3.同一星系在不同波段(射電、紅外、可見光、紫外及X 射線)下的圖像由物理規律可知：①任何物體的溫度都不可能低于熱力學溫標的零度 (相當于攝氏-273℃，用K表示)；②任何高于熱力學溫標零度的物體都一定會有電磁波(或稱光波)輻射發出，只是輻射波長有所不同而已。這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。此外，物體還會與電磁波發生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我們能靈敏地測量到所有波段的輻射光，宇宙中的任何物質都逃不出我們的觀察。圖1.1.4(a)給出不同溫度的天體所發出的光波波長及其對應的亮度。圖1.1.4(b)給出不同天體所輻射電磁波的波長與其相應亮度。不難看出，塵埃、恒星及黑洞，無一不在我們所能觀察到的波長范圍內。可以說，不論是從表面發出的還是從星球內部發出的任何波段的“光”均逃不過人類的“火眼金睛”，人類已經可以全波段多方位地觀察整個宇宙。 然而不幸的是，詭異的暗物質既不發出任何波段的電磁波，也不和任何波段的光發生作用，它深深地隱藏在宇宙之中。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質。構成暗物質的基礎粒子應該是暗物質粒子，大量暗物質聚集也可能形成暗物質天體。這里要注意，首先，暗物質不是我們通常講的黑物質，普通黑物質因為能夠吸收可見光而呈黑色，并非與可見光不發生作用。有人將尋找暗物質比喻成“在各種彩色豆中尋找黑豆”是不夠恰當的。其次，暗物質也不是黑暗中的物質。我們看不到黑暗中的物質是因為沒有光線，只能說明暗物質是不發光的物質，而不證明是否與光發生作用。因此，把尋找暗物質比喻為“在暗室中尋找黑貓”也欠妥。應當說，暗物質是既不發射任何波段的光又對任何波段的光都是透明的物質。某種意義上，暗物質類似于干凈無瑕的普通玻璃，就像有時我們誤認為玻璃門還沒有安裝玻璃而碰了頭。(當然這僅僅是對可見光而言，普通玻璃強烈吸收紫外光，對紫外線就不透明了)，我們尋找暗物質可以想象成在光線充足的明亮屋里尋找不發光的透明物體。歷史上的“暗”物質事件看不見的“暗”物質事件在20世紀就曾經發生過。19世紀末20世紀初，科學家在放射線的研究中發現微觀世界中能量的吸收和發射是不連續的。不僅原子的光譜是不連續的，從原子核中放出的射線也是不連續的。圖1.1.5(a)所示為金Au198原子核不連續的能級及其能級間的衰變。其放射出的射線的能量正好等于原子核不同能及間的能量差，即射線的能量是單一的，符合量子世界中能量守恒規律的。奇怪的是，在釋放出電子的β衰變過程中發現電子的能量并不單一，其能譜是連續的。電子所帶的能量只是能級差的一部分，還有一部分能量失蹤了(見圖1.1.5(b))。1930年，奧地利物理學家泡利依據能量守恒定律提出了一個假設，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種質量為零、不帶電、與光子不同的未知粒子發射出來，帶走了一部分能量，因此出現了能量“丟失”，即能量守恒定律依然是成立的。通過能量守恒我們感受到一種未知粒子的存在，但當時還沒有能力探測到它，便將它稱為看不到的“暗物質粒子”。后來通過實驗證實的確有這種粒子，并稱之為中微子。中微子與其他粒子不是不發生作用，只是相互作用極其微弱，一時難以探測到。中微子的實驗不僅看到了“未知的暗物質粒子”，同時還發現了當時還不了解的另一種相互作用,并稱之為“弱相互作用”。
(a)
(b)圖1.1.5.金原子核放出的射線 (a)Au198原子核的不連續能級及其衰變；(b) Au198β衰變過程中電子的連續能譜另一個有趣的事件發生在從天王星之謎到海王星發現的整個過程中。圖1.1.6所示為圍繞太陽各行星的軌道示意。1820年，法國天文學家布瓦德依據當時的觀測資料和天體運動學原理在計算天王星的運動軌道時，出現了不可理解的問題，他算出的軌道與觀測值很不相符。后來的很多年里，人們積累了更多的觀察數據，計算時又考慮了離天王星最
(a)
(b)圖 1.1.4.天體的輻射波長和亮度 (a)不同溫度的天體輻射電磁波的波長及其亮度；(b)不同天體輻射的電磁波波長及其相應的亮度
