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除了能量之谜，我们还有关于物质的一个更进一步的宇宙学疑难：为什么宇宙中会有物质？我们的问题源于物质与反物质有着相同的基础。物质与反物质在碰到对方时同时湮灭，两者都消失。当宇宙降温时，物质与反物质都不应该保留下来。
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虽然暗物质的相互作用很微弱，因此可以在宇宙中飘荡，但是普通物质通过强相互作用力的相互作用却很强。如果没有对于标准模型的额外添加，几乎所有的普通物质都会在宇宙冷却到现在的温度时消失殆尽。物质可以存留下来的唯一原因是物质比反物质多了很多。我们的理论中最早没有这样的设定。我们需要找到质子存在而反质子不存在的原因。因此必须引入一种物质-反物质的不对称性。
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剩下来的物质总量比暗物质的少，但它仍然是宇宙中可观的一部分，更不用说它还是我们所知和所爱的一切东西的来源。何时、如何产生了物质-反物质的不对称性 ？这是粒子物理学家与宇宙学家非常想要解决的另一个大问题。
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当然，是什么组成了暗物质也是至关重要的一个问题。也许我们最终能发现将暗物质与物质密度相关联的基本模型，如同近来的一些研究所提议的。无论如何，我们希望可以尽快从实验了解更多有关暗物质的问题，这些实验是我们现在探索的一个样本。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950078]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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大型强子对撞机的首席工程师林恩·埃文斯在2010年1月加州大型强子对撞机/暗物质会议中所做报告的结束语是，在过去的20年，“你们理论物理学家在暗黑（区）中瞎白忙活了一场”，以此来逗乐听众。他还顺便附加了一个说明，“现在我理解了为什么我过去花了15年来建造大型强子对撞机”。林恩的评语暗指在过去的年头里一直缺乏高能物理实验数据。但他也暗示了大型强子对撞机的发现有可能将暗物质显现出来。
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粒子物理学与宇宙学存在许多联系，其中一个最令人好奇的方面是，暗物质也许可以在大型强子对撞机能探索到的能标上被制造出来。如果存在一种具有弱能标质量的稳定粒子，这种粒子从早期宇宙存留到今天，那么这种粒子刚好带有可以作为暗物质的等值能量。从最初炽热而渐渐冷却下来的宇宙中残留下来的暗物质，对它的计算有可能证明这个想法是正确的。这不仅意味着暗物质真实存在，其身份也可以得到证明。如果暗物质确实由这种弱能标质量的粒子组成，那大型强子对撞机也许不仅能提供有关粒子物理学问题的启示，也能解答一些与宇宙学有关的问题，如宇宙中存在的物质以及它们是如何形成的。
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大型强子对撞机实验不是唯一研究暗物质的方法。物理学现在进入了一个有潜质的数据时代，不仅针对粒子物理学，也针对天文学与宇宙学。本章将介绍实验如何采取三管齐下的方式寻找暗物质（见图21-1）。首先，探索为什么具有弱能标质量的暗物质粒子最受青睐。其次，探索如果这个假设正确，那么为什么大型强子对撞机可以制造和确认暗物质粒子。我们接着会考虑，为寻找暗物质粒子而量身定制的实验如何在它们到达地球时发现它们，并记录下它们微弱而又可以探测到的相互作用。最后，我们将考虑在地面上与在太空中的望远镜以及探测器的运作方式，它们如何寻找在空中湮灭的暗物质粒子的产物。
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透明物质
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我们知道暗物质的密度，它的温度低（也即它运动的速度相比光速而言很低），它的相互作用极其微弱，与光也没有明显的相互作用。暗物质可以说是透明的。暗物质的质量，它是否具有除引力之外的其他相互作用，它如何在早期宇宙中产生，这些我们都不知道。我们只知道暗物质的平均密度，在我们的星系中可能每立方厘米有一个质子质量的暗物质，或者在一个致密物体中该数值也可能为1000万亿。两种情况都可以给出暗物质相同的平均密度，但两种情况都不能给出关于结构形成的任何信息。
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因此，即使知道暗物质存在，我们也不知道暗物质的本质。它可以是小型黑洞或者来自额外维度。最可能的情况是，它仅仅是一种新型基本粒子，不具有标准模型的相互作用；它或许是一种稳定的电中性残留物质，会在一个即将被发现的弱能标物理理论中出现。即使的确如此，我们也想知道暗物质粒子的物理性质：质量、相互作用、它是不是一种更广泛的粒子族群的一员。
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图21-1 三管齐下搜寻暗物质。地下探测器主要寻找直接撞击靶核的暗物质；大型强子对撞机也可能产生暗物质，因此可能在实验装置中留下证据；卫星和望远镜则可能发现由于太空中的暗物质湮灭而产生可见物质的证据。
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基本粒子这种解释受到人们青睐的一个原因是：上文所暗示的暗物质的丰度，它所携带的能量份额对于这种假设是一个支持。令人惊诧的一个事实是：一种稳定粒子的质量（根据E=mc2 ）如果处在大型强子对撞机将开始探索的弱能标的量级，那么它的残留密度也即宇宙中该粒子所携带的能量，恰好与暗物质处于同一区域。
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这里的逻辑如下。随着宇宙的演化，温度将会下降。当宇宙处于炽热状态时，重的粒子曾一度丰富。随着宇宙冷却下来，这些粒子逐渐被消耗，因为低温状态的能量不足以产生它们。一旦温度下降得足够低，这些重粒子与其反粒子湮灭使得两者均消失，但是反过来的过程——即它们成对产生，却不再以一个可观的速度出现。因此，由于湮灭，随着宇宙冷却，重粒子的粒子数密度会急剧下降。
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当然，为了湮灭，粒子与反粒子首先必须“兵戎相见” 。[77] 但是当数目降低时，它们变得非常稀缺，湮灭也变得更困难。结果粒子湮灭也随着宇宙的演化变得更不可能，因为这要求至少两个粒子必须处在相同的位置。
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结果是，弱能标粒子基本更稳定，可以存留到今天，而不像纯粹使用热力学所揭示的那样，原因就是从某时刻开始粒子与反粒子已经非常稀薄，它们不能相遇并湮灭。到如今还有多少粒子遗留下来取决于假定的暗物质候选者的质量与相互作用。如果物理学家能知道这些性质，那么我们就可以知道如何计算残留丰度。而令人困惑而又显著的事实是，剩余下来的稳定的弱能标粒子刚好给出了与暗物质一样的丰度。
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我们既不知道粒子精确的质量，也不知道它们的相互作用（更不用说包含稳定粒子的模型），因而我们还不知道前面说到的数目是否有用。然而在浮出水面的两种截然不同现象的两个数据之间，这种偶然的一致性（虽然很粗糙）的确令人很困惑，但它又可能是弱尺度物理可以被用来解释宇宙中暗物质的一个信号。
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广为人知的暗物质的候选者是一种被称为WIMP的粒子，其全称是大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle）。这里“弱”只起到描述的作用而不特指弱相互作用，大质量弱相互作用粒子可能具有的相互作用比标准模型中参与弱相互作用的中微子的作用还要更弱。如果没有关于暗物质及其性质更直接的证据（比如大型强子对撞机可以揭示的），那么我们就不能知道是否暗物质的确由大质量弱相互作用粒子组成。因此实验搜寻是我们接下来所关注的话题。
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大型强子对撞机中的暗物质
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宇宙学家很好奇弱能标上的物理以及大型强子对撞机可能发现的东西，产生暗物质是一种有趣的可能。大型强子对撞机的能量水平刚好能寻找大质量弱相互作用粒子。如果暗物质的确如计算所提议的由弱能标上的粒子组成，那么它也许能在大型强子对撞机中产生。