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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。
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即便如此，暗物质粒子也不一定能被发现。毕竟，暗物质不怎么与其他物质发生相互作用。由于它们与标准模型物质的相互作用有限，暗物质粒子不能直接产生或者直接被探测到。即使产生了，它们也仅会穿过探测器。然而，不是所有的粒子都会逃掉（哪怕暗物质粒子将会逃掉）。关于等级问题的任何解释都包含除了标准模型的其他粒子——它们绝大多数具有的相互作用都很强。一些粒子可能产生得很多，接着它们可以衰变成暗物质粒子，进而带走无法测量到的动量和能量。
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超对称模型是这一类型中研究得最透彻的弱能标模型，它自然包含一种切实可行的暗物质候选者。如果超对称在自然中存在，那么最轻的超对称粒子可能可以组成暗物质。这种不带电荷的最轻粒子，相互作用太弱以至于靠自己无法产生足够多的粒子来被发现。然而，胶微子（传递强相互作用力的胶子的超对称伙伴）和超夸克（夸克的超对称伙伴）假如存在，那么可以在正确的能标上产生。如第17章所介绍的，这些超对称粒子最终都会衰变成最轻的超对称粒子。因此，即使暗物质粒子不能直接被制造出来，其他激增的粒子也能够以可以观测到的速度产生出最轻的超对称粒子。
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其他弱能标暗物质的情景如果有可以探测的效应的，基本上也需要以相同的方法产生以及被“测量”。暗物质粒子的质量应该大约在大型强子对撞机可以研究的弱能标。因为粒子微弱的相互作用强度使得它们不会直接被产生出来，但是许多模型都包含其他可以衰变成它们的新型粒子。由此，我们也许可以得知暗物质粒子的存在，并且通过它们带走的能量，还可能知道它们的质量。
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若大型强子对撞机发现暗物质，这当然会是一个重大的成功。如果真的发现了，那么实验物理学家甚至可以研究它的具体性质。然而，要确信大型强子对撞机发现的粒子的确组成暗物质还需要附加的证据。它们也许可以由地面上的以及太空中探测器提供。
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直接探测暗物质的实验
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大型强子对撞机有制造暗物质的潜力这件事的确很吸引人，但是许多宇宙学实验不是在加速器中做的。在地面与太空中的天文实验与暗物质搜寻，才是解释和推进我们对宇宙学问题理解的最主要手段 。