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我们对宇宙中大量星系和星系团进行观察，通过引力现象“感知”到了暗物质的存在，那么如何才能像探测普通物质那样直接或间接探测到暗物质呢？ 图片来自网络 普通物质的探测都是通过强作用、弱作用和电磁相互作用来实现的。例如我们前面提到的海王星，通过望远镜观察到它的微弱光线才知道海王星的存在，并通过对光谱的测量和分析了解到更多有关信息。中微子也一样，开始只是由能量测量“感觉”到它的存在，直到观察到中微子和已知粒子的碰撞或散射（在物理上叫相互作用）的事例才真正得到确认。 现在，我们已经通过引力知道了暗物质的存在，为什么还要对暗物质探寻呢? 前面讲过，暗物质的天体不是构成宇宙的主要部分，宇宙的主要部分很可能是分布极广的暗物质粒子。探秘这些暗物质粒子的含义不仅仅是回答有无的问题，而是要知道：第一，暗物质粒子与普通物质粒子之间除引力之外是否还有其他作用？第二，如果有作用，其作用强度有多大，在相互作用中表现出的质量有多大？第三，如果有作用，是普通物质粒子的相互作用中的某一种呢，还是存在其他类型的作用？第四，暗物质粒子的种类、质量，在宇宙中各自的分布…… 必须大胆地猜想 在人们还没有直接观察到暗物质的时候，还不了解它的真面目的时候，想要侦测它，只有一种办法，那就是先大胆地做一些假设或猜想，然后按照假设的暗物质性质设计实验并逐一进行验证。只有得到验证的假设才能被认可。 图片来自网络 就像前面讲的，现在人们普遍认为暗物质粒子的主要候选者是WIMP，那我们就应该首先对WIMP 的性质做大胆的猜想，再依据猜想设计出各种实验来设法“探测”到它，看看它与普通物质有无相互作用。如果有的话，并且与猜想的性质基本相符，我们才算侦测到它了。如果没有发现相互作用或者与事先的猜想不相符，说明我们的假设有问题，需改变所做的假设与猜想。由于目前人们普遍认为WIMP是最可能的暗物质粒子候选者，本章将以探测WIMP 为重点介绍侦测暗物质的原理、方法和实验。 要想探知WIMP，设计能够探测WIMP 的实验，必须设想或者比较有根据地假设一些WIMP 的基本性质，否则将无从下手。 暗物质粒子WIMP 可能的性质 依据对宇宙中星系及星系团的观察，除引力外，对WIMP 性质的猜想可归纳为以下几点： 图片来自网络 （1）WIMP 应该是来源于宇宙大爆炸的粒子，而且很稳定（或寿命很长），直到今天仍然大量地存在于宇宙中。 （2）每个WIMP 的质量很大，有可能比质子的质量还要大得多。质子的质量为 1GeV 左右（即6×1023 个质子的质量大约是1g），而WIMP粒子质量是质子质量的几倍、几十倍或几百倍，在1~100GeV 的范围。 （3）可以肯定地说，WIMP 不带电，是中性粒子。因为如果WIMP带电的话，早就可以通过电磁作用发现它们了。 （4）WIMP 和普通粒子之间不仅没有电磁相互作用，也不会有类似于原子核内那样的很强的核作用力；要有作用的话，也一定是非常的弱，或许是像普通粒子β 衰变中表现的弱相互作用，也或者是我们还不了解的其他类型弱相互作用。 如此弱的作用，使得WIMP 与普通粒子发生作用的概率一定非常小。当然，我们可以通过发生作用的事例率来判定其作用的强弱。 （5）宇宙中WIMP 的数量很大。通过宇宙的质量密度和WIMP 的质量，可以估算出宇宙中WIMP 的密度，其数值和光子的差不多（光子的密度为300~400/cm3）。虽然数量大，但它与普通物质发生作用的机会并不多。有人估算，目前每秒钟正有数以十亿计的WIMP 穿过地球以及地球上每种动植物的机体。 |
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