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編輯推薦

他是有故事的人。作者李金，中國科學院高能所研究員，清華大學客座教授。他可以告訴你暗物質的前世今生。他的故事中*精彩的篇章是關於一個世界上*深的地下暗物質探測實驗室。那是一個位於四川省錦屏山2400米花崗岩下麵的一個不大的空間，卻是中國*一個用於開展國際前沿基礎研究課題的地下實驗室。當然，有很多人期待不久的將來，在這裏能夠獲得世界暗物質領域的尖端成果。
它暗藏在宇宙中。暗物質，既不發光，也不和光發生作用，不僅在沒有光的黑暗中看不到它，即使是在有光綫的環境中也完全透明而同樣看不到它。正是這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到卻又有質量的物質，像謎一樣吸引著眾多的探秘者，人們正在根據各種觀測現象對它做齣各種推測和研究。目的就是要找到它——暗物質。
迄今為止的研究認為，暗物質是宇宙的重要組成部分，它密度非常小，但是數量龐大，因此它的總質量很大，它代錶瞭宇宙中96%的物質存在。如果不能找齣它來，我們的宇宙就仿佛缺失瞭一大塊。為此，很多科學傢窮盡各種辦法，一定要設法發現它、找齣它，甚至為此上天入地......

內容簡介

　　從20世紀40年代提齣暗物質概念以來，宇宙觀察中發現的很多引力現象都錶明宇宙中隱藏瞭大量的暗物質，其質量約占宇宙物質總質量的85%。除瞭引力外，難道真的沒有其他辦法“看”到它瞭嗎？為此，從20世紀末就開始瞭一場偵測暗物質的大戰。由被動到主動，從地下到水下，從高空到太空的偵測活動不斷。科學傢們采用瞭所能想到的各種探測手段，使用瞭各種可能的辨彆或判斷暗物質的分析方法，想盡快揭示齣深藏在宇宙中的秘密，將暗藏在宇宙中的物質大白於天下。暗物質和暗能量被認為是21世紀物理天空中的兩朵烏雲。揭開這兩朵烏雲的麵紗將會對宇宙、對物質世界的認識帶來革命性的突破。我國也不例外，為探知暗物質建立瞭世界*深的地下實驗室，開展瞭直接尋找暗物質碰撞的實驗，發射瞭專門探測暗物質的衛星，進展異常迅速，舉世矚目。

　　本書旨在嚮讀者深入淺齣、圖文並茂地介紹有關“暗物質”的基本知識，瞭解暗物質的來由、偵測暗物質的方法和手段及其艱苦曆程，也展望瞭暗物質偵測的前景。

作者簡介

作者李金，1964年畢業於中國科學技術大學，曾任中科院高能所總師，研究室主任，BES國際閤作發言人。曾以訪問學者或客座教授身份在美國，日本，英國，法國，颱灣等從事高能物理研究工作。近十幾年為清華大學客座教授。50多年來從事核反應研究；核爆炸輻射測量；核探測技術研究；高能粒子對撞機譜儀BES的研製，建造和升級；正負電子對撞物理實驗研究；近20年從事中微子和暗物質實驗等前沿課題研究。曾獲科學院重大科研奬和自然科學一等奬、國傢自然科學二等奬、國傢科學技術進步二等奬、中國物理學會“吳有訓物理奬”、 獲國傢政府津和國傢“中青年有突齣貢獻專傢”稱號。曾發錶科學論文和科普文章300餘篇，編寫瞭清華大學研究生講義（現代輻射物理與探測），與他人閤著科學書籍（ 北京譜儀正負電子物理，北京譜儀II正負電子物理）等。現任中國物理C”Chinese Physics C”刊物的科學編委。

目錄

第1章.詭秘暗物質的由來
1.1.什麼是暗物質？/5
1.2.詭異的暗物質真的存在嗎？/12
1.3.可能的暗物質/26
1.4.為什麼要探尋和研究暗物質/30

第2章.暗物質的偵測方略
2.1.暗物質粒子的基本性質/45
2.2.暗物質粒子的偵測方略/49
2.3.暗物質粒子WIMP的直接探測/56
2.4.暗物質粒子WIMP的間接探測/72
2.5.人工産生暗物質粒子/79

第3章.偵測行動前赴後繼
3.1.尋找碰撞的直接偵測/88
3.2.尋找湮滅的間接偵測/115
3.3.人工産生暗物質的嘗試/131

第4章.找到暗物質粒子瞭嗎？
4.1.實驗證據的錶述/142
4.2.暗物質粒子的跡象或證據/144
4.3.沒有看到任何“暗物質痕跡”/156
4.4.目前還很難迴答的問題/165
4.5.展望未來/169

第5章.在世界最深的地下尋找暗物質
5.1.最深的地下物理實驗室——中國錦屏地下實驗室（CJPL）/185
5.2.CJPL開展的兩個直接探測暗物質的實驗/204
5.3.中國錦屏地下實驗室的未來發展——CJPL-Ⅱ /214
後語/223
參考文獻/225
圖片來源/232

精彩書摘

　　1.1什麼是暗物質？

　　“暗”的廣泛含義

　　曆史上的“暗”物質事件

　　1.2詭異的暗物質真的存在嗎？

　　不好理解的鏇轉麯綫

　　星體光被嚴重彎麯

　　奇特的大尺度星係團

　　子彈星係團的碰撞

　　宇宙中有多少暗物質？

　　1.3可能的暗物質

　　暗物質天體

　　暗物質粒子

　　特彆關注的WIMP粒子

　　1.4為什麼要探尋和研究暗物質

　　暗物質密切關係到宇宙的生成與演變

　　夢寐以求的基本粒子

　　小結

　　尋找缺失的宇宙——暗物質

　　2

　　齣於求知欲和好奇心，韆百年來人類從未間斷對天文和宇宙的觀察與探求，從地麵到高山，從高空到太空，從地下到海底。特彆是近幾十年來，近百個不同類型的觀測設備被發射升空，實現瞭人類對宇宙的全方位和全波段的觀察。圖1.0.1列齣瞭在地麵、空中和太空觀察宇宙的各類望遠鏡及其相應的探測波段。特彆是1990年由太空航天飛機發射升空的高分辨率哈勃望遠鏡（見圖1.0.2），它拍攝的照片和提供的信息為我們釋疑瞭很多宇宙疑團，讓我們進入到宇宙觀測的新高峰，宇宙觀測的新時期。我們不僅認識瞭距我們最近的地球、月球、太陽和銀河係，我們還知道瞭類星體、超新星和脈衝星..也看到瞭非常遙遠的星係、星雲、星係團..觀測範圍幾乎要到達約150億光年1甚至更遠的宇宙邊緣。利用不同波段光的觀察可以繪製齣不同類型的宇宙（即不同波段的宇宙）：可見光宇宙、紅外宇宙、紫外宇宙、射電及微波宇宙、X射綫及高能宇宙。放眼多波段宇宙，可以將豐富多彩的宇宙層層剝開，探索到包括恒星、星雲和星係的宇宙的每個層次。

　　今天，我們已經信心滿滿地觀察到幾乎所有不同波段的宇宙，可以說是一覽無遺地“看”到瞭整個宇宙。但萬萬沒想到，隨著宇宙觀測和天文學的發展，我們意識到我們所看到的浩瀚宇宙竟然隻是宇宙很小的一部分，大部分是沒有觀察到的暗物質和暗能量。

　　1光年是距離的單位，1光年是光在1年中走的距離。光在1秒中走的距離是30萬韆米，一年有3153萬秒之多，1光年約為9.4億韆米。

　　1/詭秘暗物質的由來

　　3

　　哈勃伊巴榖斯必澤錢德拉可見光伽馬射綫X射綫紫外紅外微波射電IUEIntegralWMAPSOHOGALEXXMM-牛頓0.1pm1pm10pm100pm1nm10nm100nm1mm10mm100mm1mm1cm10cm1m

　　圖1.0.1觀察宇宙的望遠鏡及相應的波段

　　圖中的望遠鏡依次為：

　　微波各嚮異性探測器（TheWilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe，WMAP）；

　　斯必澤紅外天文空間望遠鏡（SpitzerSpaceTelescope）；

　　哈勃太空望遠鏡（HubbleSpaceTelescope）；

　　伊巴榖（Hipparcos）高精度視差采集衛星；

　　太陽和太陽風層探測器（TheSolarandHeliosphericObservatory，SOHO)；

　　國際紫外探測器（TheInternationalUltravioletExplorer，IUE)；

　　軌道運行的紫外望遠鏡（TheGalaxyEvolutionExplorer，GALEX）；

　　錢德拉X射綫觀察站（ChandraX-rayObservator）；

　　X射綫空間觀察站（HighThroughputX-raySpectroscopyMissionandtheX-rayMulti-MirrorMission）；

　　伽馬射綫空間望遠鏡（InternationalGamma-RayAstrophysicsLaboratory，INTEGRAL）。

　　圖1.0.2太空中的哈勃望遠鏡

　　1.1

　　什麼是暗物質？

　　我們知道宇宙中有兩類天體：一類是像太陽那樣的發光的天體，在沒有光的環境中能被我們看到；另一類像月亮那樣，雖然不發光卻可以反射或吸收光，在有光照的環境中也能被我們看到。但是人們發現，還有一類很詭異的物質暗藏在宇宙中。它既不發光，也不和光發生吸收、反射或摺射等作用，不僅在沒有光的黑暗中看不到它，在有光綫的環境中也完全透明，同樣看不到它。這種不發光又絕對透明，在任何環境下都無法看到卻又有質量的物質，被稱為暗物質，即暗藏在宇宙中的物質。

　　當然，這裏說的“光”不僅僅是指可見光，而是包括幾乎所有波段的“光”；這裏說的“看”也不僅僅是用人的眼睛看，它包括瞭所有形式的現代望遠鏡或探測器的觀察。因此，在暗物質的研究中，“暗”具有更為廣泛的含義。

　　“暗”的廣泛含義

　　“暗”的廣泛含義是什麼？更廣泛意義的“暗”是基於更廣泛意義的“光”。光是什麼？光實質上是電磁波。科學傢通常依據波長把光（或稱電磁波）劃分為7個區段：無綫電波、微波、紅外綫、可見光、紫外

　　綫、X射綫和伽馬射綫。圖1.1.1給齣各種電磁波的波段及其相應波長。天文和宇宙科學藉助於各種電磁波天文望遠鏡實現瞭對宇宙中天體的觀測。今天的天文觀測幾乎涵蓋瞭所有波段的電磁波。但是，不同探測設備對各波段“光”的響應不同，看到的圖像也不同。圖1.1.2所示為藉助可見光與X光看到的世界和人，可見光隻能看到錶麵，而X射綫可以看到內部。同樣，我們藉助紅外光、紫外光和X射綫分彆看到瞭不同的宇宙。圖1.1.3所示為同一星係在不同波段（射電、紅外、可見光、紫外及X射綫）下的圖像。

　　Λω來自不同溫度可見光10-1210-910-610-311031061021101810151012109106103電磁光譜γ-射綫X-射綫紫外紅外微波無綫電波

　　圖1.1.1電磁波各波段的波長

　　（a）（b）

　　圖1.1.2用可見光與X光觀測到的世界和人（a）可見光；（b）X光

　　圖1.1.3同一星係在不同波段（射電、紅外、可見光、紫外及X射綫）下的圖像

　　由物理規律可知：①任何物體的溫度都不可能低於熱力學溫標的零度（相當於攝氏-273℃，用K錶示）；②任何高於熱力學溫標零度的物體都一定會有電磁波（或稱光波）輻射發齣，隻是輻射波長有所不同而已。這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。此外，物體還會與電磁波發生吸收、反射或摺射等作用。因此，隻要我們能靈敏地測量到所有波段的輻射光，宇宙中的任何物質都逃不齣我們的觀察。圖1.1.4（a）給齣不同溫度的天體所發齣的光波波長及其對應的亮度。圖1.1.4（b）給齣不同天體所輻射電磁波的波長與其相應亮度。不難看齣，塵埃、恒星及黑洞，無一不在我們所能觀察到的波長範圍內。可以說，不論是從錶麵發齣的還是從星球內部發齣的任何波段的“光”均逃不過人類的“火眼金睛”，人類已經可以全波段全方位地觀察整個宇宙。

　　然而不幸的是，詭異的暗物質既不發齣任何波段的電磁波，也不和任何波段的光發生作用，它深深地隱藏在宇宙之中。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質。構成暗物質的基礎粒子應該是暗物質粒子，大量暗物質聚集也可能形成暗物質天體。

　　這裏要注意，首先，暗物質不是我們通常講的黑物質，普通黑物質因為能夠吸收可見光而呈黑色，並非與可見光不發生作用。有人將尋找暗物質比喻成“在各種彩色豆中尋找黑豆”是不夠恰當的。其次，暗物質也不是黑暗中的物質。我們看不到黑暗中的物質是因為沒有光綫，隻

……

前言/序言

　　人類藉助於各種波段的電磁波，從極其短波長X射綫、紫外綫，到可見光，再到無綫電波來觀察和認識宇宙。然而，有一些物質既不發射任何波段的電磁波，也不與這些電磁波發生作用。這些用任何波段電磁波都“看”不見而又暗藏在宇宙中的物質，稱為暗物質。

　　大約在80年前，費裏茨·茲威基驚奇地發現，大型星係團內的星係具有極高而又難以理解的運動速度，單靠我們觀測到的星係團的引力作用根本不可能束縛住這些星係在星係團內的高速運動，除非在星係團中還有“看不見”的物質産生強大引力。此後，天文學傢依據螺鏇星係鏇轉速度的測量、引力透鏡的觀測、大尺度宇宙結構形狀以及微波背景輻射等研究中的“奇特”現象，大膽地猜想，宇宙中可能暗藏有大量“看不見”卻又能通過引力作用而被感知的暗物質，而且占的比例很大（據計算約占整個宇宙物質總量的85%）。

　　暗物質到底是什麼？它為什麼那麼詭異？它暗藏在宇宙中什麼地方？它在宇宙的形成和演化中扮演什麼角色？是暗物質天體還是暗物質粒子？它們是否是我們已經知道的基本粒子，還是未曾發現的粒子？這些問題都對目前人們已經構造的天體理論和基本粒子模型理論提齣嚴重挑戰。

　　暗物質的偵測與研究具有跨學科的重大科學意義，它關係到我們對微觀基本粒子和宏觀宇宙的構成、宇宙的演化以及基本相互作用的認知，是從微觀到宏觀直至宇觀的重大前沿課題。

　　然而，到目前為止，暗物質還隻是基於天文宇宙觀察到的引力效應推測齣來的大膽猜想，並沒有真正直接實驗偵測到它的存在。要想真正偵測到“看不見”的暗物質，即找到暗物質與普通物質之間所有的相互作用關係，就必須發展新的探測原理和新的探測技術，就必須在物理概念和理論上有所突破。

　　本書在介紹暗物質的來由、宇宙中隱藏有暗物質的依據、偵測和研究暗物質的科學意義的基礎上，著重描述偵測詭異暗物質粒子的實驗方略，探測暗物質的基本原理和技術，前赴後繼的偵測活動和所采用的龐大而又復雜的探測裝置或設備，實驗探測研究的進展、最新研究狀況以及未來的前景，並特彆介紹瞭在我國錦屏大山中建設的世界上最深的地下實驗室——中國錦屏地下實驗室和我國正在進行的暗物質探測研究。

　　這是一本通俗科普讀物，沒有過多的理論或定量的說明，也沒有數學推導或分析錶達式，采用瞭盡量多的圖錶或照片，以便於一般讀者的閱讀。希望這本讀物有助於讀者對暗物質的基本概念略有理解，增加對偵測暗物質的真正含義、實驗方法和重大意義的認識，並能概括瞭解國內外偵測暗物質的實驗研究現狀和未來發展前景。

　　2016年5月

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