在過去的幾十年里，大量的天文觀測都指向了一個驚人的事實：在可觀測宇宙中，我們所熟悉的、遍布在宇宙中的恒星、行星、氣體、塵埃等所有的普通物質(zhì)，僅僅只占宇宙總質(zhì)量和能量密度的5%，還有95%是完全未知的！這片未知的領(lǐng)地是由69%神秘的暗能量和26%的暗物質(zhì)構(gòu)成，它們的本質(zhì)是當今宇宙學最大的未解之謎。我們今天所要探尋的，正是其中的這26%。

  星系守衛(wèi)者  

如果星系完全由恒星和氣體組成的話，根據(jù)我們對引力的理解，恒星距離星系中心越遠，它們的運動速度也會越慢。這是因為星系的大部分質(zhì)量都集中在中心，所以越靠近中心感受到的引力也越強。

然而，上個世紀70年代，天文學家魯賓（Vera Rubin）和福特（Kent Ford）在對我們鄰近的仙女座星系進行觀測后，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的現(xiàn)象——氣體和恒星的運行速度在超過特定的距離后開始趨于平穩(wěn)，而非像理論預期那樣下降。

這是非常令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，如果在星系外側(cè)的物體運行的速度如此之快，它們應該早就已經(jīng)飛離星系的掌控，使星系分崩離析。但這樣的事情并沒有發(fā)生，為什么？究竟是誰在默默地守衛(wèi)著星系?

有一種可能是，在星系尺度上，現(xiàn)有的引力理論需要被修正，這個可能性不能夠自洽地解釋宇宙學的觀測而被基本放棄。另一個可能是，星系中包含了大量看不見的物質(zhì)，從而提供了額外的引力。這些看不見的物質(zhì)也被稱為暗物質(zhì)。

那么，暗物質(zhì)究竟是什么？

  候選粒子  

理論學家認為，暗物質(zhì)極有可能是一種或多種從未被發(fā)現(xiàn)的新粒子。為此，他們提出了許多假想的候選粒子，但這些粒子的質(zhì)量和性質(zhì)有著很大的不確定性。有一類理論預言暗物質(zhì)由一種“弱相互作用重粒子”（WIMP）組成，由于能夠自然的解釋今天宇宙中觀測到的暗物質(zhì)密度而備受青睞。

目前，尋找WIMP暗物質(zhì)的方法共有三種：直接探測、間接探測和對撞機探測。在過去幾十年中，全球各地有許多實驗室都在通過這三種途徑來全方位尋找暗物質(zhì)的蹤跡。不同的實驗所能搜索的暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量范圍也是有限的，這是因為探測器都有其探測閾值，如果暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號低于閾值，就無法被觀測到。

目前，中國不僅有“悟空”號衛(wèi)星通過間接手段尋找暗物質(zhì)，也有錦屏地下實驗室直接尋找暗物質(zhì)粒子與原子核的碰撞。 

錦屏地下實驗室建于2009年，這是我國第一個深地實驗室。之所以建于地底深處，是因為實驗室上方的巖石能夠有效地擋住宇宙線，使宇宙線背景信號降低到極低的水平。但厚重的巖石層卻無法阻擋暗物質(zhì)的腳步，因此，正如上海交通大學教授、科學探索獎獲獎人劉江來所說：“我們有了機會能夠在2400米的山下仰望充滿暗物質(zhì)的星空?！?/span>

《從地下2400米看宇宙》——劉江來在2021年“青年科學家502論壇”的報告。

同樣是在2009年，在錦屏地下實驗室內(nèi)的PandaX實驗啟動。在PandaX實驗中，為了更好地屏蔽來自探測器外圍的放射性物質(zhì)的干擾，研究人員在外圍搭建了鉛、銅和聚乙烯組成的被動屏蔽體。這些材料能夠很好地阻擋伽馬射線和中子。

PandaX實驗主要尋找WIMP的質(zhì)量區(qū)間大約在1GeV至~10TeV （eV表示電子伏特），也已經(jīng)取得了豐碩的成果，對WIMPs可能出現(xiàn)的范圍做出了非常強的限制。但如何進一步擴大PandaX實驗的搜索區(qū)間呢？比如去探測那些質(zhì)量小于1GeV的輕暗物質(zhì)（即sub-GeV暗物質(zhì)）。

  讓宇宙線來加速  

當暗物質(zhì)恰好撞上探測器中的原子核時，會將能量傳遞給原子核，使其產(chǎn)生一個反沖信號（如下圖所示）。由于輕暗物質(zhì)的質(zhì)量過輕，由此產(chǎn)生的核反沖信號的能量也過低，很難達到探測器的測量閾值，從而無法被探測到。

如果輕暗物質(zhì)粒子想要在PandaX探測器中留下可觀測的信號，那么它們就需要通過某種方式獲得足夠高的動能。

2019年，物理學家Torsten Bringmann和Maxim Pospelov提出一種新奇的可能性。他們認為，既然暗物質(zhì)能夠與原子核相互作用，那么它們應該也可以與高能宇宙線（主要由質(zhì)子和氦組成）作用。在這個情況下，不是暗物質(zhì)將能量傳遞給宇宙線，而是宇宙線加速了暗物質(zhì)，使其具有更高的能量。如此一來，獲得宇宙線加速的輕暗物質(zhì)（以下簡稱CRDM）就能夠在探測器中留下超過探測閾值的信號。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了用PandaX探測過去不可能探測到的輕暗物質(zhì)的途徑，那么接下來我們需要找到CRDM產(chǎn)生的信號的特別之處，以將它們與背景事例或傳統(tǒng)暗物質(zhì)產(chǎn)生的信號進行區(qū)分。

  一個有趣的效應  

2021年，葛韶鋒、袁強、周寧和劉江來在《物理評論快報》的一篇論文中提出了CRDM的一個獨特特征：周日調(diào)制效應。

在銀河系中，宇宙線和暗物質(zhì)是廣泛存在的，但它們的分布是不均勻的。暗物質(zhì)和宇宙線的密度會隨著其在星系中的位置而變化，越往星系中心密度越高。這將導致大量的CRDM是來自銀河系中心方向的，從而呈現(xiàn)出各向異性的分布。然而，CRDM的各向異性分布是無法被直接繪制的，這是因為直接探測實驗無法得知入射暗物質(zhì)粒子具體來自哪個方向。

進一步的研究，使研究人員發(fā)現(xiàn)了一個有趣的效應。在CRDM抵達探測器時，暗物質(zhì)實際上已經(jīng)在地球內(nèi)部穿行了一定的距離，由于地球不停地自轉(zhuǎn)，穿行的距離從2.4千米到13000千米不等。如果暗物質(zhì)和原子核的散射截面（用字母σ表示，描述了兩個粒子在特定條件下的相互作用的概率）足夠大，那么暗物質(zhì)將頻繁地與物質(zhì)發(fā)生散射，地球也將成為暗物質(zhì)粒子的屏蔽體。這就意味著，當銀河系中心和探測器在地球的兩側(cè)時，會因為CRDM穿行的距離越大而導致其抵達探測器的流量顯著下降；但如果它們在同一側(cè)時，則暗物質(zhì)導致的信號強度將達到最高。

之后，研究人員定義了一個CRDM的存活概率，即抵達PandaX實驗探測器的CRDM流量和抵達地球的CRDM流量之比。所以，當繪制CRDM的存活概率隨恒星時改變時，就會看到由于地球的自轉(zhuǎn)，存活概率也會發(fā)生周期變化。這就是所謂的周日調(diào)制效應。

下圖所描繪的正是一個恒星日（0-24小時范圍內(nèi)）的周日調(diào)制效應?？梢钥吹剑斏⑸浣孛鏋?0?32cm2時，CRDM的存活概率在64%-95%范圍內(nèi)變化。借助周日調(diào)制效應，就可以有效地區(qū)分暗物質(zhì)信號和背景示例。

  搜尋CRDM  

今年四月，崔祥儀、葛韶鋒、袁強、周寧和劉江來等人在《物理評論快報》發(fā)表了PandaX二期實驗尋找CRDM的最新結(jié)果。

在PandaX二期實驗中，探測器的核心容器（如下圖所示）包含了580公斤的液氙。當外部的粒子（比如WIMP）穿過巖石抵達探測器時，它可以與液氙相互作用，產(chǎn)生第一次閃光（S1）和自由電子（e?）。自由電子會在電場的作用下，向探測器的上方漂浮，并在氣氙里產(chǎn)生第二次閃光（S2）。這兩次閃光都會被探測器頂部和底部的光電倍增管陣列記錄，它們的相對亮度會揭示信號是由什么粒子產(chǎn)生的。

在新的研究中，研究人員提取了PandaX二期實驗完整的數(shù)據(jù)集。除了獨特的恒星時，研究人員還考慮了事件的高反沖能量分布特征。這兩個明顯的特征被用來抑制背景，從而顯著提高信號的靈敏度。

盡管實驗沒有在預期的背景之上發(fā)現(xiàn)明顯的暗物質(zhì)信號，但也對CRDM和核子之間的相互作用設(shè)定了新的排除極限。在下圖中，縱軸顯示的是暗物質(zhì)與核子的散射截面，橫軸是暗物質(zhì)的質(zhì)量。圖中紅色區(qū)域表示的便是PandaX二期實驗排除的暗物質(zhì)可能出現(xiàn)的范圍，即暗物質(zhì)-核子在10?31cm2至10?2?cm2之間的散射截面。這一方法對輕暗物質(zhì)給出的限制超過了天體物理學和宇宙學探測器所能達到的。未來，利用新一代的PandaX四噸級的數(shù)據(jù)，將可以對CRDM進行更靈敏的搜索。

  未來可期  

十年前，物理學家在大型強子對撞機中首次發(fā)現(xiàn)了粒子物理學標準模型的最后一塊拼圖——希格斯玻色子，這是粒子物理學家經(jīng)歷了數(shù)十年努力的結(jié)果。而我們現(xiàn)在所面對的是尋找超越標準模型的全新的、未知的粒子，我們自然需要有更多的耐心。

每一次的新實驗結(jié)果，都是朝終極目標所邁出的一小步。而在尋找sub-GeV的輕暗物質(zhì)粒子，以及拓展暗物質(zhì)探測器的探索到所能探索的質(zhì)量區(qū)間，PandaX二期實驗已經(jīng)邁出了堅實的一步。