作者：岳骞
暗物质及暗物质探测的基本概念与分类？
暗物质是什么？顾名思义，“暗”是指既不发光，也不吸收光；“物质”则表明其至少参与引力相互作用。因此，暗物质是指宇宙中那些不发光，不参与电磁相互作用，不参与强相互作用，参与引力相互作用的物质。天文学的众多观测数据和结果表明，暗物质广泛分布在宇宙的各个角落，约占到整个宇宙中物质质量的85%，在物质起源和宇宙演化过程中具有十分重要的地位。
根据天体物理学和宇宙学对于暗物质的观测和研究，物理学家提出了各种各样的暗物质候选者，大体分为两类：重子类和非重子类。重子类暗物质主要指有质量致密光晕天体，如黑洞、中子星、红矮星等，但是天文学观测结果表明重子类暗物质只占暗物质的一小部分，不足以解释全部的暗物质。非重子类中的冷暗物质（运动速度远小于光速）被认为是暗物质的最主要成分。然而，在近乎完美的粒子物理标准模型中却找不到可以作为冷暗物质的候选粒子，使得物理学家们纷纷转向了超出粒子物理标准模型的新物理。
在很多超出粒子物理标准模型的新物理中都存在着标准模型之外的粒子，可以自然地作为冷暗物质的候选者，如弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle, WIMP）、轴子（Axion）、惰性中微子（Sterile Neutrino）、镜像物质（Mirror Matter）等，其中WIMP受到了最为广泛的关注。WIMP可能与标准模型粒子存在弱相互作用，可以通过各种实验手段来寻找它们。当下和未来的一段时间内，暗物质探测的研究热点与发展前景主要集中在哪些方面？
当前暗物质的探测实验大体分为三类：间接探测实验、直接探测实验和加速器暗物质实验，俗称“上天”“入地”和“人造暗物质”。
暗物质间接探测实验，是通过探测暗物质粒子衰变或者湮灭的产物来研究暗物质的基本性质。这些产物一般包括伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。为减小地球大气层中背景粒子的干扰，间接探测实验大多是发射卫星到太空中或者把实验设备安装到空间站上进行。例如欧洲的AMS暗物质实验， 中国的“悟空”暗物质探测卫星等等。 此外，还有高空气球、地面望远镜、冰下契伦科夫探测器等形式。例如，美国ICECube实验组利用南极厚达数公里的冰层，在冰面以下1公里的地方，建设体积约一立方公里的冰探测器来间接探测暗物质。
暗物质直接探测实验，是通过探测暗物质粒子与标准模型粒子相互碰撞之后的靶核状态来研究暗物质的方法。靶核的反冲能量、方向、数量等参数携带了入射暗物质粒子的质量、与普通物质的相互作用截面、暗物质来源等信息。对于10GeV以下轻暗物质的直接探测，我国CDEX 合作组所用的低阈值点电极高纯锗技术和美国CDMSLite合作组所使用的声子放大高纯锗技术是两种代表性的技术路线。目前CDEX在4-5GeV给出了国际最灵敏的暗物质探测灵敏度，CDMSLite合作组在4GeV以下区间给出最灵敏的实验结果。对于10GeV以上的重暗物质探测，基于气液二相的液氙/液氩探测器技术拥有优势。国际上基于液氙的实验主要有美国LZ、美欧联合XENON和我国PandaX实验，基于液氩的实验有欧洲的DarkSide实验。2017年， XENON和PandaX两个合作组几乎同时给出了10GeV以上暗物质区域最为灵敏的结果。
加速器暗物质实验，是通过探测标准模型粒子在高能对撞下的产物来研究暗物质的方法。标准模型粒子以较高的能量发生对撞时可能会产生暗物质粒子。目前国际上的大型加速器实验都不是专门为探测暗物质设计的，因此暗物质粒子极有可能在穿过所有的探测器时不留下任何痕迹，只是带走部分能量，从而在探测器系统中造成“能量丢失”。根据探测器系统中“丢失能量”的测量可以推断是否有暗物质产生，研究暗物质的动量、质量、自旋等性质。加速器暗物质实验要求加速器能够将标准模型粒子加速到较高的能量，目前主要基于欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider）上开展实验，还没有给出暗物质的可能信号。暗物质探测的发展历史中都有哪些重要的里程碑式的事件？
1930年代，天文学家根据天文观测结果提出暗物质的假设；
1960-1970年代，更多的天文观测证据支持暗物质存在的观点；
1980-1990年代，包括极低温锗/硅量热技术、高纯度闪烁体量能器技术等粒子物理实验技术的发展推动了暗物质探测实验的发展；
2000年代，点电极高纯锗探测技术和二相液氙探测技术被应用到暗物质直接探测实验中；
2008年，意大利DAMA实验组宣称发现了暗物质年度调制效应；ATIC实验组在宇宙线正负电子能谱的观测上发现反常结构，随后PAMELA和FERMI卫星也观测到正电子超出；
2009年，清华大学联合雅砻江流域水电开发公司建设世界最深的地下实验室-中国锦屏地下实验室（CJPL）；
2010年代，我国CDEX和PandaX实验组开始在CJPL中进行暗物质直接探测实验；美国华裔物理学家丁肇中先生领导的欧洲大型磁谱仪AMS-02发射升空进行暗物质间接探测实验，发现了明显的正电子“超出”，即正电子比例远远高于预期，与之前PAMELA结果相符；2013年CDEX合作组发表我国首个暗物质直接探测实验结果；
2015年，我国暗物质粒子探测卫星“悟空”号发射升空；
2017年以来，欧洲XENON实验组与我国PandaX实验组同时公布结果，对10GeV以上暗物质区域给出了新的限制；美国LZ实验开始建设十吨级液氙的暗物质探测系统；我国科学家基于“悟空”暗物质卫星数据发表首个物理结果，将高能宇宙线电子的空间直接测量能段首次拓展到了4.6兆电子伏特（TeV），而且观测到了比较明显的电子谱在TeV位置的“拐折”，以及在1.4 TeV 附近的超出背景预期的尖锐信号等新实验结果；我国CDEX实验组发布4-5GeV能区国际最灵敏暗物质实验结果；暗物质探测研究中主要存在哪些技术难点？
目前，多家暗物质直接探测实验组都在抓紧时间，升级建设下一代吨级乃至数十吨级的探测器系统，力争尽快找到暗物质粒子或排除当前理论预期的暗物质分布区域，取得突破性成果。但科学家们也面领着严峻的技术挑战。
暗物质直接探测方面：如何进一步降低探测器能量阈值和本底水平，并在降低阈值和本地的基础上进一步增加探测器靶质量是下一步的努力方向。加速器暗物质实验方面，由于普通物质高能对撞过程极其复杂，给实验本底造成很大的干扰，对于核心探测器系统的性能指标提出了严格要求。此外，如何进一步提升对撞能量进而提高暗物质粒子产生效率也是当前面临加速器实验的主要难点。暗物质间接探测方面，技术难点主要是如何理解复杂的宇宙辐射背景，降低天体物理学参数的不确定性对实验结果的影响等。
我国的暗物质探测研究起步于本世纪初，在2009年清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司联合建成世界最深的中国锦屏地下实验室后得到了快速发展，目前在暗物质直接探测的低质量区域和高质量区域都取得了世界领先的暗物质探测灵敏度，间接探测方面“悟空”号发现了一些新的重要的实验现象。基于中国锦屏地下实验室二期的岩石覆盖厚度大2400m、可用空间约30万立方米的地下空间建设“十三五”国家重大科技基础设施的项目进入到可研阶段，将为国内外科学家开展暗物质探测和其它极低本底实验提供国际一流的研究平台。相信我国科学家将在未来的国际暗物质研究领域取得更重要的研究成果，引领国际暗物质研究。