我们都有这样的一个概念，宇宙是浩瀚的，而且这位大大从来都是神秘的主儿，藏着掖着的秘密不计其数。《科学》杂志曾公布了125个世界前沿科学问题，第一个就是“宇宙由什么构成？”
其实目前我们“知道”的大部分物质均由“基本粒子”组成。关于基本粒子的“统一”模型——标准模型，也是迄今为止最成功的粒子物理模型，目前已与16次诺贝尔奖直接相关。
然而！！标准模型也并不是所有。
根据PLANCK （欧洲空间局和NASA共同发射的“普朗克”卫星）2013 年和2015 年的数据结果显示，当前我们所处的宇宙，普通的重子物质只占宇宙质量的4.9%，而暗物质则占了26.8%，剩下的68.3% 为暗能量。
Excuse me？你说什么？暗物质？
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是的，没错，宇宙中存在着比普通物质多的多的多的暗物质。它也并不是“暗的”，只是有别于普通物质，不与光发生作用，让我们无法直接观测。有科学家说它是宇宙的“幽灵”，有说它是星系中的“雾霾”。不被感知却的确无时无刻不与我们同在。用一句仓央嘉措的诗来说就是“你见，或者不见我，我就在这里……”，窜梭于宇宙，潇洒来去，等待着我们的探究。
质量去哪儿了？
1933年，整个美国由于“大萧条”到处充满了不景气。但这对于加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基来讲却毫无所谓。这时他正醉心于后发座星系团的研究中。通过观测收集星系团中成员星系的速度，再利用引力理论，兹威基进行了“力学质量”计算，然而得出的结论却与基于星系光度数据的“光度质量”（恒星质量越大就越亮）测量结果有着惊人的差异：力学质量竟是发光质量（产生光线的物质）的400倍！
弗里茨·兹威基
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简单来讲，如果按照测得的“光度质量”来计算，如此速度下，星系团早就分崩了，那么，哪里还会有来自星星的你！！哪里还有什么都教授！！呃……不好意思，小编有点跑偏出戏了……
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咳咳……言归正传。
那么，如此大量的发光质量“下落不明”，到底意味着什么？这时，兹威基大叔脑洞立马上线，做出了一个惊世骇俗的推论：宇宙中存在着大量不可见的质量，使得光度方法的测算失效。同时，他也给这个物质起了个格调超高的名字——“Dunkle Materie”（德语，Dark Matter，暗物质）。
“暗物质”理论一出便掀起了一阵波动，但这并不是来自于人们的认可，却尽是嘲笑和不屑。事实上，早在兹威基前，也有天文学家曾发现星系团引力与可见物质之间的比值异常。但由于缺乏其他独立观测佐证，这个显得太过超前的概念在接下来的30多年里陷入了沉寂。
你好，暗物质！
时间到20世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）通过十年多的系统观测和研究，发现实际观察的星系转速与原先理论的预测有所出入，从而证明了太空里“其他”物质的存在，为“暗物质”理论提供了有力证据。
薇拉·鲁宾
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薇拉·鲁宾是一位美国著名女性天文学家，她克服了旧时学界对女性的种种阻碍和不公，最终为“暗物质”研究做出了杰出贡献。2016年12月25日鲁宾与世长辞，让我们永远铭记这位伟大的女性。
随着研究的进一步，关于暗物质多个关键天文学佐证也陆续被学界接受，如引力透镜效应、子弹星云、宇宙微波背景辐射等等。通过理论的环环构建，逐渐建立了对暗物质的一些轮廓性的认知：
暗物质占宇宙总质量的27%左右；
运动得不快；
寿命长（半衰期跟宇宙一样长）；
不参与电磁相互作用（不发光）；
不参与强相互作用（无原子结构）；
参与引力作用；
具有弱相互作用。
虽然迟到了几十年，但新大门终于还是被打开，在“暗物质”确定已经上线的情况下，科学家们便进入了下个打怪关卡——探寻什么是暗物质。
你的好友暗物质已经上线~
众里寻他
纽约大学的物理教授尼尔·魏纳（Neal Weiner）曾说：“谁都不知道哪个实验最终能解决它（暗物质）。”我们对暗物质可以说知之甚少，而对方又极具“高冷”属性。（前面提到了，基本不和任何“人”一起“玩儿”……）到底怎么才可能抓住它呢？
暗物质作为天文学和宇宙学上假设的物质形态，其中非相对论性粒子-冷暗物质是暗物质的主要成分。典型的冷暗物质有质量为GeV-TeV量级的弱作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle, WIMP）和质量为μeV-keV量级的轴子（Axion）。WIMP作为冷暗物质的主要候选者，其粒子物理学的探测手段共三种：
直接探测：通过收集WIMP与探测器靶核碰撞产生的光信号、电信号和热信号研究WIMP性质。要求相应的探测器具有极低的能量阈、较大的靶质量以及低本底，因此直接测量的探测器多位于地下深处，并采用低放射性的屏蔽体和探测器材料。
间接探测：通过WIMP湮灭后产生的高能粒子—中微子、正电子、反质子、γ射线等标准模型粒子间接证明WIMP的存在，主要途径是暗物质探测卫星。
加速器实验：通过两束高能粒子对撞“创造”WIMP。目前世界上只有欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。
三种探测手段
目前，世界各国已有许多“暗物质”探测实验设立，穿云遁地无不用其极。而对于世界第二大经济体的中国来说，参与并大力推进这个对人类来说有深远意义的研究，也是必须肩负的国际责任和使命。随着国力和科研实力的日益增强，近年除了在国际各个合作项目的活跃以外，中国主导的暗物质探测实验也逐渐崭露头角。
目前世界涉及暗物质研究的直接探测实验
中国的暗物质“捕手”
无论是“上天”的间接探测，还是“入地”的直接探测，中国在最近的几年里都取得了显著进展。
一方面，2015年国内首颗暗物质探测卫星“悟空”顺利升空运行；另一方面，2010年国内首个极深的地下实验室“中国锦屏地下实验室”（CJPL）投入了使用。
世界各深地实验室对比
锦屏地下实验室示意
前文也提到，直接探测的实验探测器往往需“藏”到地底下，凭借天然岩层最大可能地屏蔽地面存在的大量本底辐射。CJLP由清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司共同建成，深2400米，是目前世界最深的、也是被认为最“洁净的”地下实验室。我国两个大型暗物质直接探测实验都在CJPL开展——清华大学主导的CDEX（高纯锗）和上海交通大学主导的PandaX（液氙）。
其中，PandaX的二期试验结果在2016年9月19日以封面论文以及主编推荐（Editor’s Suggestion）的形式，正式发表在了《物理学评论快报》中。而能成为该世界顶级物理学刊主编推荐的，在发表论文中只占16%左右。
之所以备受瞩目，是因为该实验公布的 500公斤级液氙探测器低本底运行100天的暗物质探测结果，是世界上正式发表的灵敏度最高、曝光量最大的液氙暗物质探测结果，对暗物质粒子的性质作出了新的最强限制。
PandaX在国际暗物质探测中是一个“年轻”的项目，于2009年才正式启动。经过一系列前期缜密的理论和实验准备后，探测装置于2012年正式进入锦屏地下实验室开始运行。
2012年8月16日，PandaX第一批实验器材进入锦屏地下实验室
项目采用的是先进的两相型液氙探测器，以惰性元素氙（Xe）作为探测媒介。暗物质粒子与氙原子碰撞时得到的一定能量，会在液氙中反冲产生光信号和电离电子。电子在强电场作用下向气态氙漂移，冲进气体产生二次发光信号。
PandaX探测器一览
光是可被探测的。在液氙探测器的顶部和底部，都密排了一层三英寸大小的光电倍增管（PMT）。这些特别的PMT由为世界多个液氙暗物质探测提供了光电探测技术的滨松公司（HAMAMATSU）研制。
除了低本底以外，针对液氙温度极低的特点（低至-110℃），用于暗物质探测的PMT还需具低低温暗计数的特性，低温后脉冲也必须限制在阈值之内，并且要适应整个降温过程，不能对探测性能有所影响。
PandaX-II中的光电探测部分
（密排的滨松3英寸PMT）
最后，通过光电探测器件对光信号的探测，探测器就可判别暗物质和氙原子碰撞的空间位置。利用这两个信号的相对大小便能区分来自暗物质或其他放射性物质所产生的事件。
而目前除了PMT以外，滨松公司也针对了R&D预研方案，于2016年新开发了第四代VUV-MPPC（硅光电倍增管）。在VUV波段有极高的灵敏度，可针对暗物质低温探测应用，在未来的实验中亦极具潜力。
滨松第四代VUV-MPPC（硅光电倍增管）
中国暗物质探测实验在相对短的时间内就完成了多个零的突破，并取得了世界领先的成果，一方面有赖于国家综合实力的增强，以及对科研事业的支持和投入；另一方面，则凭借了中国暗物质科研工作者们的卓越奋斗。实际上，国际暗物质研究存在着激烈的竞争，如何在压力中争取一分一秒的时间，在冰冷的实验设备和分析中求得更高的精确数据，成果背后的艰辛可想而知。
目前，世界还没有明确的暗物质信号被确立，人类仍在各种未知尽头的道路上继续追寻着它的身影，相信中国科研工作者们也将继续在暗物质探测领域取得更辉煌的成就。
参考：
发现宇宙黑暗面——弗里茨·兹威基和他的“暗物质”，刘夏，《新知客》2009年03期
中国暗物质探测“熊猫计划”首发实验数据，挑战宇宙起源理论，观察者2014年8月
发表于 2017-2-24 15:13
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