从20世纪40年代提出暗物质概念以来，宇宙观察中发现的很多引力现象都表明宇宙中隐藏了大量的暗物质，其质量约占宇宙物质总质量的85% 。除了引力外，难道真的没有其他办法“看”到它了吗？为此，从20世纪末就开始了一场侦测暗物质的大战。由被动到主动，从地下到水下，从高空到太空的侦测活动不断。科学家们采用了所能想到的各种探测手段，使用了各种可能的辨别或判断暗物质的分析方法，想尽快揭示出深藏在宇宙中的秘密，将暗藏在宇宙中的物质大白于天下。暗物质和暗能量被认为是21世纪物理天空中的两朵乌云。揭开这两朵乌云的面纱将会对宇宙、对物质世界的认识带来革命性的突破。我国也不例外，为探知暗物质建立了世界深的地下实验室，开展了直接寻找暗物质碰撞的实验，发射了专门探测暗物质的卫星，进展异常迅速，举世瞩目。 本书旨在向读者深入浅出、图文并茂地介绍有关“暗物质”的基本知识，了解暗物质的来由、侦测暗物质的方法和手段及其艰苦历程，也展望了暗物质侦测的前景。
他是有故事的人。作者李金，中国科学院高能所研究员，清华大学客座教授。他可以告诉你暗物质的前世今生。他的故事中精彩的篇章是关于一个世界上深的地下暗物质探测实验室。那是一个位于四川省锦屏山2400米花岗岩下面的一个不大的空间，却是中国个用于开展国际前沿基础研究课题的地下实验室。当然，有很多人期待不久的将来，在这里能够获得世界暗物质领域的尖端成果。它暗藏在宇宙中。暗物质，既不发光，也不和光发生作用，不仅在没有光的黑暗中看不到它，即使是在有光线的环境中也透明而同样看不到它。正是这种不发光又透明、在任何环境下都无法看到却又有质量的物质，像谜一样吸引着众多的探秘者，人们正在根据各种观测现象对它做出各种推测和研究。目的就是要找到它——暗物质。迄今为止的研究认为，暗物质是宇宙的重要组成部分，它密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它代表了宇宙中96%的物质存在。如果不能找出它来，我们的宇宙就仿佛缺失了一大块。为此，很多科学家穷尽各种办法，一定要设法发现它、找出它，甚至为此上天入地......
作者李金，1964年毕业于中国科学技术大学，曾任中科院高能所总师，研究室主任，BES国际合作发言人。曾以访问学者或客座教授身份在美国，日本，英国，法国，台湾等从事高能物理研究工作。近十几年为清华大学客座教授。50多年来从事核反应研究；核爆炸辐射测量；核探测技术研究；高能粒子对撞机谱仪BES的研制，建造和升级；正负电子对撞物理实验研究；近20年从事中微子和暗物质实验等前沿课题研究。曾获科学院重大科研奖和自然科学一等奖、国家自然科学二等奖、国家科学技术进步二等奖、中国物理学会“吴有训物理奖”、 获国家政府津和国家“中青年有突出贡献专家”称号。曾发表科学论文和科普文章300余篇，编写了清华大学研究生讲义(现代辐射物理与探测)，与他人合著科学书籍( 北京谱仪正负电子物理，北京谱仪II正负电子物理)等。现任中国物理C”Chinese Physics C”刊物的科学编委。
第1章.诡秘暗物质的由来
1.1.什么是暗物质？/5
1.2.诡异的暗物质真的存在吗？/12
1.3.可能的暗物质/26
1.4.为什么要探寻和研究暗物质/30
第2章.暗物质的侦测方略
2.1.暗物质粒子的基本性质/45
2.2.暗物质粒子的侦测方略/49
2.3.暗物质粒子WIMP的直接探测/56
2.4.暗物质粒子WIMP的间接探测/72
2.5.人工产生暗物质粒子/79
第3章.侦测行动前赴后继
3.1.寻找碰撞的直接侦测/88
3.2.寻找湮灭的间接侦测/115
3.3.人工产生暗物质的尝试/131
第4章.找到暗物质粒子了吗？
4.1.实验证据的表述/142
4.2.暗物质粒子的迹象或证据/144
4.3.没有看到任何“暗物质痕迹”/156
4.4.目前还很难回答的问题/165
4.5.展望未来/169
第5章.在世界最深的地下寻找暗物质
5.1.最深的地下物理实验室——中国锦屏地下实验室(CJPL)/185
5.2.CJPL开展的两个直接探测暗物质的实验/204
5.3.中国锦屏地下实验室的未来发展——CJPL-Ⅱ /214
后语/223
参考文献/225
图片来源/232
1.1.什么是暗物质？“暗”的广泛含义历史上的“暗”物质事件1.2.诡异的暗物质真的存在吗？不好理解的旋转曲线星体光被严重弯曲奇特的大尺度星系团子弹星系团的碰撞宇宙中有多少暗物质？1.3.可能的暗物质暗物质天体暗物质粒子特别关注的WIMP粒子1.4.为什么要探寻和研究暗物质暗物质密切关系到宇宙的生成与演变梦寐以求的基本粒子小结
出于求知欲和好奇心，千百年来人类从未间断对天文和宇宙的观察与探求，从地面到高山，从高空到太空，从地下到海底。特别是近几十年来，近百个不同类型的观测设备被发射升空，实现了人类对宇宙的多方位和全波段的观察。图1.0.1列出了在地面、空中和太空观察宇宙的各类望远镜及其相应的探测波段。特别是1990年由太空航天飞机发射升空的高分辨率哈勃望远镜(见图1.0.2)，它拍摄的照片和提供的信息为我们释疑了很多宇宙疑团，让我们进入到宇宙观测的新高峰，宇宙观测的新时期。我们不仅认识了距我们最近的地球、月球、太阳和银河系，我们还知道了类星体、超新星和脉冲星..也看到了非常遥远的星系、星云、星系团..观测范围几乎要到达约150亿光年1甚至更远的宇宙边缘。利用不同波段光的观察可以绘制出不同类型的宇宙(即不同波段的宇宙)：可见光宇宙、红外宇宙、紫外宇宙、射电及微波宇宙、X射线及高能宇宙。放眼多波段宇宙，可以将丰富多彩的宇宙层层剥开，探索到包括恒星、星云和星系的宇宙的每个层次。今天，我们已经信心满满地观察到几乎所有不同波段的宇宙，可以说是一览无遗地“看”到了整个宇宙。但万万没想到，随着宇宙观测和天文学的发展，我们意识到我们所看到的浩瀚宇宙竟然只是宇宙很小的一部分，大部分是没有观察到的暗物质和暗能量。1 光年是距离的单位， 1光年是光在1年中走的距离。光在1秒中走的距离是30万千米，一年有3153万秒之多，1光年约为9.4亿千米。
图1.0.1.观察宇宙的望远镜及相应的波段图中的望远镜依次为：微波各向异性探测器(The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)；斯必泽红外天文空间望远镜(Spitzer Space Telescope)；哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)；伊巴谷(Hipparcos)高精度视差采集卫星；太阳和太阳风层探测器(The Solar and Heliospheric Observatory，SOHO)；国际紫外探测器(The International Ultraviolet Explorer，IUE)；轨道运行的紫外望远镜(The Galaxy Evolution Explorer，GALEX)；钱德拉X射线观察站(Chandra X-ray Observator)；X射线空间观察站(High Throughput X-ray Spectroscopy Mission and the X-ray Multi-Mirror Mission)；伽马射线空间望远镜(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory，INTEGRAL)。图1.0.2.太空中的哈勃望远镜1.1什么是暗物质？我们知道宇宙中有两类天体： 一类是像太阳那样的发光的天体，在没有光的环境中能被我们看到；另一类像月亮那样，虽然不发光却可以反射或吸收光，在有光照的环境中也能被我们看到。但是人们发现，还有一类很诡异的物质暗藏在宇宙中。它既不发光，也不和光发生吸收、反射或折射等作用，不仅在没有光的黑暗中看不到它，在有光线的环境中也透明，同样看不到它。这种不发光又透明，在任何环境下都无法看到却又有质量的物质，被称为暗物质，即暗藏在宇宙中的物质。当然，这里说的“光”不仅仅是指可见光，而是包括几乎所有波段的“光”；这里说的“看”也不仅仅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的现代望远镜或探测器的观察。因此，在暗物质的研究中，“暗”具有更为广泛的含义。“暗”的广泛含义“暗”的广泛含义是什么？更广泛意义的“暗”是基于更广泛意义的“光”。光是什么？ 光实质上是电磁波。科学家通常依据波长把光(或称电磁波)划分为7个区段： 无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。图1.1.1给出各种电磁波的波段及其相应波长。天文和宇宙科学借助于各种电磁波天文望远镜实现了对宇宙中天体的观测。今天的天文观测几乎涵盖了所有波段的电磁波。但是，不同探测设备对各波段“光”的响应不同，看到的图像也不同。图1.1.2所示为借助可见光与X光看到的世界和人，可见光只能看到表面，而X射线可以看到内部。同样，我们借助红外光、紫外光和X射线分别看到了不同的宇宙。图1.1.3所示为同一星系在不同波段(射电、红外、可见光、紫外及X 射线)下的图像。
图1.1.1.电磁波各波段的波长
(a) (b)图1.1.2.用可见光与X光观测到的世界和人(a)可见光；(b)X光
图 1.1.3.同一星系在不同波段(射电、红外、可见光、紫外及X 射线)下的图像由物理规律可知：①任何物体的温度都不可能低于热力学温标的零度 (相当于摄氏-273℃，用K表示)；②任何高于热力学温标零度的物体都一定会有电磁波(或称光波)辐射发出，只是辐射波长有所不同而已。这两点告诉我们，宇宙中的任何物质都会有电磁波辐射。此外，物体还会与电磁波发生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我们能灵敏地测量到所有波段的辐射光，宇宙中的任何物质都逃不出我们的观察。图1.1.4(a)给出不同温度的天体所发出的光波波长及其对应的亮度。图1.1.4(b)给出不同天体所辐射电磁波的波长与其相应亮度。不难看出，尘埃、恒星及黑洞，无一不在我们所能观察到的波长范围内。可以说，不论是从表面发出的还是从星球内部发出的任何波段的“光”均逃不过人类的“火眼金睛”，人类已经可以全波段多方位地观察整个宇宙。 然而不幸的是，诡异的暗物质既不发出任何波段的电磁波，也不和任何波段的光发生作用，它深深地隐藏在宇宙之中。暗物质是用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到的物质。构成暗物质的基础粒子应该是暗物质粒子，大量暗物质聚集也可能形成暗物质天体。这里要注意，首先，暗物质不是我们通常讲的黑物质，普通黑物质因为能够吸收可见光而呈黑色，并非与可见光不发生作用。有人将寻找暗物质比喻成“在各种彩色豆中寻找黑豆”是不够恰当的。其次，暗物质也不是黑暗中的物质。我们看不到黑暗中的物质是因为没有光线，只能说明暗物质是不发光的物质，而不证明是否与光发生作用。因此，把寻找暗物质比喻为“在暗室中寻找黑猫”也欠妥。应当说，暗物质是既不发射任何波段的光又对任何波段的光都是透明的物质。某种意义上，暗物质类似于干净无瑕的普通玻璃，就像有时我们误认为玻璃门还没有安装玻璃而碰了头。(当然这仅仅是对可见光而言，普通玻璃强烈吸收紫外光，对紫外线就不透明了)，我们寻找暗物质可以想象成在光线充足的明亮屋里寻找不发光的透明物体。历史上的“暗”物质事件看不见的“暗”物质事件在20世纪就曾经发生过。19世纪末20世纪初，科学家在放射线的研究中发现微观世界中能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的，从原子核中放出的射线也是不连续的。图1.1.5(a)所示为金Au198原子核不连续的能级及其能级间的衰变。其放射出的射线的能量正好等于原子核不同能及间的能量差，即射线的能量是单一的，符合量子世界中能量守恒规律的。奇怪的是，在释放出电子的β衰变过程中发现电子的能量并不单一，其能谱是连续的。电子所带的能量只是能级差的一部分，还有一部分能量失踪了(见图1.1.5(b))。1930年，奥地利物理学家泡利依据能量守恒定律提出了一个假设，认为在β衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种质量为零、不带电、与光子不同的未知粒子发射出来，带走了一部分能量，因此出现了能量“丢失”，即能量守恒定律依然是成立的。通过能量守恒我们感受到一种未知粒子的存在，但当时还没有能力探测到它，便将它称为看不到的“暗物质粒子”。后来通过实验证实的确有这种粒子，并称之为中微子。中微子与其他粒子不是不发生作用，只是相互作用极其微弱，一时难以探测到。中微子的实验不仅看到了“未知的暗物质粒子”，同时还发现了当时还不了解的另一种相互作用,并称之为“弱相互作用”。
(a)
(b)图1.1.5.金原子核放出的射线 (a)Au198原子核的不连续能级及其衰变；(b) Au198β衰变过程中电子的连续能谱另一个有趣的事件发生在从天王星之谜到海王星发现的整个过程中。图1.1.6所示为围绕太阳各行星的轨道示意。1820年，法国天文学家布瓦德依据当时的观测资料和天体运动学原理在计算天王星的运动轨道时，出现了不可理解的问题，他算出的轨道与观测值很不相符。后来的很多年里，人们积累了更多的观察数据，计算时又考虑了离天王星最
(a)
(b)图 1.1.4.天体的辐射波长和亮度 (a)不同温度的天体辐射电磁波的波长及其亮度；(b)不同天体辐射的电磁波波长及其相应的亮度
