张新民,陈学雷.暗物质、暗能量研究进展及中国的机遇[J].中国科学院院刊,2011,(5):496-503.

暗物质、暗能量研究进展及中国的机遇

Progresses in the Studies of Dark Matter and Dark Energy and China’s Opportunities

张新民
中国科学院高能物理研究所
Zhang Xinmin
Institute of High Energy Physics,CAS 100049 Beijing
陈学雷
中国科学院国家天文台
Chen Xuelei
National Astronomical Observatory of China,CAS 100012 Beijing

         粒子宇宙学;暗物质;暗能量

        particle cosmology;dark matter;dark energy

        暗物质和暗能量是21世纪天文学和物理学研究中的两个重大科学问题。文章首先简述了宇宙学研究的历史和现状以及对粒子物理学提出的新挑战,接着较详细地介绍了暗物质和暗能量相关的科学问题以及近年来在国际上该研究领域所取得的进展,最后展望了我国在暗物质暗能量实验探测研究方面的前景。

        Dark matter and dark energy are two major scientific issues in astronomy and physics in the 21st century.The history and current status of the cosmological study,as well as the challenges it raised to particle physics are firstly reviewed.Various issues related to the dark matter and dark energy and the achievements made in recent years are introduced in detail.Finally,the prospects of experimental detection on dark matter and dark energy in China are made.

        　　近10余年,宇宙学研究发展迅速,人们对宇宙有了全新的认识。2010年年底, 在本世纪首个10年即将结束之际,美国《科学》杂志审视了进入新千年以来所取得的重要的科学进步,评选出了10项科学成就(Insights of the Decade),“精确宇宙学”名列其中[1]。这是对宇宙学研究的一个肯定。的确,在过去的10年间,以Wilkinson微波背景各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)为代表的天文观测对宇宙学参数进行了精确的测量,不仅使宇宙学研究步入了辉煌的时代, 同时对物理学提出了重大挑战。这些天文观测告诉我们,宇宙的基本组成中大约73%是暗能量,23%是暗物质。

         从粒子物理学研究物质基本结构的观点出发,我们知道普通物质是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的,目前已知的基本粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子。但是, 天文观测告诉我们这些普通物质只占4%, 而96%是暗物质和暗能量。暗物质、暗能量问题对粒子物理学提出了重大的挑战。寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘,结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。目前世界各国都在集中人力、物力和财力组织攻关,开展这一重大交叉学科的研究。自实施知识创新工程一期起,中科院就将粒子宇宙学列为重要研究方向。 经过多年的努力,我国科学家在宇宙学暗物质、暗能量理论研究、计算宇宙学研究以及基于国际合作的实验研究方面都取得了一些显著的成果。但是就整体水平而言,特别是在以我为主的实验研究方面,与世界水平还相差甚大。 但十分可喜的是,经过多年的研究和探讨,我国科学家通过认真调研国际上在这一领域的研究现状和发展趋势, 特别是结合我国的具体情况已初步绘制了我国开展暗物质、暗能量探测的“上天入地到南极”的路线图, 为未来发展奠定了一个好的基础。

         本文将评述暗物质、暗能量领域的研究和发展。 首先介绍宇宙学研究的历史, 现状以及精确宇宙学对粒子物理提出的新挑战; 接着将介绍国内外暗物质、暗能量研究的发展状况以及我国在暗物质、暗能量实验探测研究方面的前景。

        　　探索宇宙起源及演化的奥秘是天文学和物理学研究的一个最基本的问题。 大爆炸宇宙学模型告诉我们,大约137亿年前,大爆炸发生的那一刻,宇宙处于一个极致密、极高温的状态,之后宇宙逐渐膨胀、冷却并演化至今。大爆炸宇宙模型的一个重要预言是宇宙微波背景辐射(CMB)。它产生于大爆炸发生之后大约38万年, 那时宇宙的温度非常高,宇宙气体处于高度热平衡,发出的辐射光子带有很明显的特征,高度符合普朗克的黑体谱。之后随着宇宙的持续膨胀,它的温度逐渐降低至今天的2.7K。早在20世纪60年代,美国贝尔实验室的工程师阿尔诺.彭齐亚斯和罗伯特.威尔逊就发现了宇宙微波背景辐射的存在,并因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。上世纪90年代, 美国科学家约翰.马瑟和乔治.斯穆特带领的研究团队利用COBE卫星观测在更高精度上发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱,进一步证实了大爆炸宇宙学模型, 更重要的是他们还发现了微波背景辐射上幅度大约只有十万分之一的各向异性。为此,约翰.马瑟和乔治.斯穆特获得了2006年的诺贝尔物理学奖。这个小的温度涨落, 根据目前的流行理论, 起源于早期宇宙的暴涨过程(Inflation)的量子涨落,正是这一原初涨落造成了宇宙物质分布的不均匀性,最终得以形成诸如星系团等的宇宙结构。

        　　自COBE之后, 特别是1998年以来观测宇宙学的研究取得了一系列重大进展, 具有里程碑意义的是1998年超新星[2,3]观测发现宇宙在加速膨胀,揭示了暗能量的存在;2000年BOOMERANG和MAXIMA气球实验对CMB温度功率谱第一峰位置的测量揭示了宇宙是平坦的;2002年DASI第一次发现了CMB的极化;特别是2003年以来WMAP[4]对CMB的精确测量, 斯隆数字巡天(SDSS)[5]大尺度结构 (LSS)的观测以及更大样本的超新星(SN)观测等对宇宙学参数进行了精确的测量,使宇宙学的研究步入了辉煌的精确宇宙学时代。美国《科学》杂志是这样评述精确宇宙学的:“在过去10年中,研究人员非常精确地推测出宇宙物质的成分是普通物质、暗物质和暗能量。同时,他们阐述了将这些成分组成宇宙的方法。这些进展将宇宙学转变成为一种有着标准理论的精确科学,而留给其他理论的活动空间已十分狭小。”这段话事实求是地评价了近年宇宙学研究所取得的成就。下面就两个方面我们再做一些进一步的阐述, 其一是关于WMAP与精确宇宙学, 另一方面是关于宇宙学的标准理论。不可置疑,对于精确宇宙学的成就,WMAP的贡献是巨大的。2010年WMAP获得了邵逸夫奖。精确宇宙学体现在宇宙学参数的精确测量。目前国际上物理和天文界基本上都采用WMAP组所给出的宇宙学参数值, 但需要指出, WMAP的结果是在综合了国际上其他天文观测以及物理分析方法的基础上而得到的,其中也包括了中国科学家的工作, 比如,我们提出的暗能量扰动和利用CMB极化测量旋转角并检验CPT 对称性的新方法。2010年初WMAP组公布了7年累计的观测数据[6], 在他们关于宇宙学参数的论文中,共引用了中国科学家10多篇文章, 体现了中国科学家对精确宇宙学研究的贡献。

        　　在理论研究方面,《科学》杂志的评述恰如其分:“这些进展将宇宙学转变成为一种有着标准理论的精确科学,而留给其他理论的活动空间已十分狭小”。在粒子物理研究领域,经过上世纪几十年的发展,理论体系是完整的,这就是粒子物理的标准模型。在宇宙学领域,其基本理论的出发点是爱因斯坦引力和宇宙学原理以及引力扰动结构形成理论。关于这方面由于严格求解的困难性,国际上已编成了各种不同形式的程序, 例如 CAMB/CosmoMC,以此用来直接与观测比较, 确定宇宙学参数。在这样一个理论框架下,目前用10个左右的参数(最基本的只有6个)就可以很好地拟合来自于CMB、 LSS、SN 等各种天文观测的数据。相比之下, 粒子物理的标准模型中有18个自由参数, 表征粒子的质量, 规范耦合常数, 混合角等。如果考虑有质量的中微子,参数的数目会更多。就此意义上讲,宇宙学的标准模型所获得的成功可与粒子物理的标准模型相媲美。另外, WMAP的贡献在一定意义上很类似于上个世纪90年代CERN的正负电子对撞机LEP对于粒子物理标准模型精确化的推动和检验。两位理论家M. Veltman 和G. `tHooft为此获得了诺贝尔奖, 其主要贡献是关于标准模型理论的可重整性的证明。大家知道,有质量的弱规范玻色子理论其计算结果是无穷的, 发散的。通过引进Higgs场, Veltman 和 `tHooft证明理论是可重整的, 没有发散的。这样使得粒子物理的标准模型能够得以精确的检验。当然至今Higgs粒子并没有在实验上发现, 寻找Higgs是目前LHC的重要科学目标。宇宙学中的线性扰动理论在传统的研究中不存在发散问题。不过当研究动力学暗能量时,特别是当其状态方程越过宇宙学常数线时,扰动量是发散的, 计算的结果也是无穷的。为了解决这个问题,同样需要引进新的自由度,Quintom场。

        　　精确宇宙学对粒子物理学提出了一些重大的挑战。暗物质和暗能量问题是现代物理科学中两朵新的乌云,对它们的研究将极有可能孕育出新的物理学和天文学重大发现乃至科学上的革命,对于未来的科学发展具有难以估量的重要作用。

         早在70多年前,天文学家通过天文观测已经推测到暗物质的存在。之后,大量的天文观测不断积累的数据也证实了暗物质的存在。那么什么是暗物质呢?简单来说,暗物质是一种不发光的物质,它有显著的引力效应[7]。

        　　从粒子物理的观点出发,有质量的中微子是一种暗物质粒子,但它是热暗物质。WMAP、SDSS等天文观测的结果说明,它的质量应当非常小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的冷的或温的暗物质。那么这些暗物质粒子究竟是什么呢?目前还不清楚。理论物理学家有多种猜测,例如,惰性中微子(Sterile neutrino)温暗物质、引力微子(Gravitino)温暗物质、轴子(Axion)冷暗物质等。文献中,一种比较流行的是弱作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particles, 简称WIMPs),例如,超对称理论中最轻的超对称伴子——中性伴随子(Neutralino)[8]。取决于产生机制,WIMPs可以为冷的也可以为温的暗物质。目前世界各国科学家,正在进行各种加速器和非加速器实验,试图找到这种WIMPs暗物质粒子。

        　　为什么相信WIMPs是暗物质呢?其原因有下面几点:

        　　(1)就粒子物理而言,WIMPs是一些流行的新理论,如超对称、额外维空间等理论模型中一个自然的预言;

        　　(2)就宇宙学而言,WIMPs 能自然地解释现在观测到的宇宙暗物质的密度。由于WIMPs具有弱相互作用,在宇宙早期当温度高于WIMPs质量时,WIMPs与宇宙中的其他成分,如光子、电子等快速反应并达到了热平衡。然而随着宇宙膨胀温度下降,WIMPs与其他粒子的反应速率也降低,当温度低于WIMPs粒子的质量时WIMPs无法与宇宙中的其他成分保持热平衡的状态,这一过程被称为WIMPs暗物质的退耦。物理上,这一过程可以通过求解WIMPs暗物质粒子的玻尔兹曼方程来严格描述。通过理论计算得知,对于WIMPs 来说,它的剩余丰度(relic density)与今天宇宙学观测所得到的暗物质密度一致,这被称为WIMPs奇迹(WIMPs miracle);

        　　(3)就实验而言,WIMPs 的粒子性质如质量和相互作用可以在欧洲核子实验中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上来直接检验,而中科院高能物理所的正负电子对撞机实验可以通过测量稀有衰变来探测轻的WIMPs及其相关的粒子。WIMPs作为暗物质粒子,由于与普通物质具有弱相互作用,具有可探测性。相比之下,对于许多其他的暗物质模型,由于其与普通物质的相互作用更弱,在目前的实验水平下使得探测它们的可能性更小。

        　　总而言之, WIMPs是理论物理学家“喜欢”的新理论中预言的新粒子,同时宇宙学家发现它正好给出宇宙中所需的暗物质密度,而在基于加速器和非加速器的实验上对于WIMPs的探测都具有可行性。正因为如此,人们预期对于WIMPs暗物质的研究在不久的将来会有重大的突破。

        　　上面谈到的WIMPs暗物质是在宇宙演化过程中通过热过程产生的。这种WIMPs自产生以后就一直处于非相对论状态, 所以是冷暗物质。冷WIMPs暗物质模型在大尺度上与观测符合的很好, 但在小尺度上与观测矛盾。 鉴于此,10年前高能物理所张新民等人[9]提出了温WIMPs暗物质模型。 实现温WIMPs要求在宇宙演化过程中WIMPs是通过非热过程产生的,比如通过宇宙相变产生的宇宙弦或不稳定的重粒子衰变成WIMPs,对于非热产生的 WIMPs, 产生时它可以是接近相对论的, 那么就可以产生足够大的free streaming尺度。目前这种非热产生的WIMPs暗物质已引起了广泛的关注。

        　　暗物质粒子的实验探测方法大致可以分为两类。一种为直接探测实验,即采用高灵敏度的探测器直接探测当暗物质粒子和探测器物质发生碰撞后所产生的信号。另一类实验称为间接探测实验,其主要是探测暗物质粒子自湮灭或衰变的产物,如伽玛射线、中微子、正电子、反质子等。另外,高能对撞机(如大型强子对撞机LHC)可能会直接对撞产生出暗物质粒子。

        　　在暗物质粒子的直接探测方面, 中国和意大利科学家合作的DAMA实验,12年的连续积累得到了近9σ的年调制效应,但需要其他实验组的证实和物理上的理解。CoGeNT实验组观测到了一些疑似暗物质的信号,CDMS实验也看到了一些迹象, 但都需要进一步的验证。 近期, 中国科学家参与的XENON100 实验组公布了新的结果, 没有发现暗物质存在的事例。 在暗物质粒子间接探测方面,近年也取得了一些引起广泛关注的成果。2008年PAMELA卫星实验发现了宇宙线中的正电子比例明显超出了宇宙线的背景,另外中科院紫金山天文台的科学家做出重要贡献的ATIC气球实验 以及Fermi卫星实验、HESS切伦科夫实验等也在宇宙线电子能谱的测量中发现了异常现象。这些迹象显示了可能的暗物质的湮灭或衰变的信号,引起了国内外科学界广泛的兴趣并大力推动了近年暗物质理论的研究发展。

        　　在暗物质研究领域, 我国科学家在理论研究和数值模拟[10,11]以及基于国际合作的实验研究方面都已取得了一些显著的成果。

        　　1998年两个Ia型超新星(SN)小组发现了宇宙在加速膨胀,由此揭示了暗能量的存在,这一成果被美国《科学》杂志选为当年的世界十大科技进展之首。之后暗能量一直为物理学界和天文学界关注的焦点。暗能量的基本特征是具有负压,在宇宙空间中(几乎)均匀分布且不结团。

         暗能量的一种可能性是宇宙学常数,或真空能。这种能量在日常的生活和科学实验中感觉不到,但却支配着宇宙的演化,驱动宇宙的加速膨胀。但是目前量子场论的理论预言值远远大于观测值。如果认为爱因斯坦的广义相对论和粒子物理的标准模型在普朗克标度以下都有效的话,理论计算的真空能将比观测值大10120倍。这一理论与实验的冲突即宇宙学常数问题是对当代物理学的一大挑战。

        　　另一种暗能量可能性是随时间变化的动力学场的能量。最简单的是一个具有正则动能的标量场,在文献中它被称为“Quintessence”(译为精质)。除此之外,目前国内外科学家已提出多种暗能量的物理诠释。就唯象研究而言, 不同的模型可由其状态方程(或对于修改引力等模型而言的有效状态方程)w(定义为p和ρ之比) 来分类。如,对上面谈到的宇宙学常数, W不随时间而变并且 w=-1;而对于动力学模型而言,w随时间可变,且可以w>-1(Quintessence)[12], w<-1(Phantom 译为幽灵)[13] 或 越过-1(Quintom译为精灵)[14]。 由此认识暗能量物理本质的首要任务是天文观测并通过数据拟合来测量暗能量的状态方程。

        　　值得指出,对于动力学暗能量来说,不同于宇宙学常数,它将带来一系列有趣的物理现象。如,暗能量场与电磁场的相互作用QFμνFμν(其中Fμν是电磁场张量)将会导致精细结构常数的改变;又如,中国科学家[15]和美国科学家[16]相继提出的中微子暗能量模型, 预言了中微子质量不是一个常数, 而在宇宙演化过程中发生变化的新现象。更有意义的是,动力学暗能量场可导致宇宙学的CPT(电荷-宇称-时间反演)对称性破坏,给出CMB极化新的特征。 这一点是近年国际上CMB理论和实验研究的一个新课题,并且在这一领域中国科学家[17,18]做出了重要的贡献。

         暗能量的本质决定着宇宙的命运。如果加速膨胀是由真空能引起的,那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态。宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄,星系之间互相远离的速度将变得非常快,新的结构不可能再形成。如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的话,那么宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定,有可能会永远加速膨胀下去,也有可能重新进入减速膨胀的状态,甚至可能收缩,特别是在精灵暗能量框架下,宇宙将有可能是振荡的。

        　　目前的天文观测(CMB + LSS + SN 等)显示在2σ范围内宇宙学常数可以很好地拟合数据, 但动力学模型没有被排除, 而且数据略微支持w越过-1的精灵暗能量模型。虽然目前的数据已经给暗能量的理论模型的参数空间很大的限制,但是不足以精确地检验这些模型。为此,国内外科学家正积极地策划下一代地面和空间的大规模巡天项目,以提高测量精度,充分检验暗能量理论。

        　　在暗能量理论研究方面, 中国科学家提出了有特色的理论模型, 例如 Quintom 暗能量模型[14], Holographic暗能量模型[19], Agegraphic 模型[20], Ricci 暗能量模型[21]。 这些模型引起了国际上很大的关注, 都有很高的引用率。比如,提出Quintom暗能量和Holographic 暗能量模型论文的单篇引用(由SLAC-QSPIRES查知)已分别达到550次和448次。而且, 国际权威综述期刊Physics Reports还登载专文介绍了Quintom宇宙学。 在数值计算整体拟合确定暗能量状态方程,检验暗能量模型方面, 中国科学家做出了国际上有影响力的工作[22],深受同行们特别是WMAP组的肯定。另外, 在认识宇宙加速膨胀的物理机制, 检验爱因斯坦引力方面, 中国科学家也做出了显著的成果[23]。

        　　虽然在暗物质、暗能量理论研究方面和基于国际合作的实验研究方面,我国科学家已取得了一些显著的成果,但就整体水平,特别是在以我为主的实验研究方面,与世界水平相差甚大。在中科院创新工程三期实施期间,作为院知识创新工程重要方向项目“依托国内大科学装置的粒子物理核物理和宇宙学的前沿理论研究”的一个重要的科学目标,即联合院内外科学家,聚集理论实验观测物理天文不同领域的研究力量, 对我国开展暗物质暗能量实验探测的可行性进行了深入的研究。 中国科学家研究团队通过认真调研国际研究现状和发展趋势, 结合我国的具体情况,于2008年11月 完成了“上天入地到南极”路线图的制定。

         在暗能量探测方面, 国际上有代表性的下一代暗能量观测项目包括LSST、WFIRST、 Euclid、 BigBOSS 等。在我国已建成的LAMOST望远镜可以探测暗能量, 但有一定的局限性。在光学和近红外成像巡天方向,我国的南极昆仑站(DOME A)具有得天独厚的观测条件, 在南极建一个大型光学/近红外望远镜有望在昆仑站实现一个由中国主导的下一代暗能量巡天的项目。 近年来我国科学家又提出了空间站大光学平台和天籁项目等新的实验设想, 这些对暗能量的研究都是十分重要的。

        　　在暗物质粒子间接探测方面, 国际上在未来的几年, 空间的FERMI、AMS02,地下的IceCube, 地面的大型伽马射线探测器HESS、Veritas、Magic等实验预期会有更多的数据。 在我国西藏羊八井宇宙线地面观测站随着实验的升级和灵敏度的提高,特别是未来LHAASO项目的开展,在间接探测暗物质粒子方面将具有一定的潜力。在空间暗物质粒子间接探测方面,我国空间站暗物质粒子探测项目以及较近期的由紫金山天文台等单位提出的小卫星暗物质实验都将预期对暗物质的研究做出有意义的贡献。

        　　在暗物质的直接探测实验方面,世界各国已广泛开展,例如CDMS、XENON、ZEPLIN、Edelweiss、DAMA、PICASSO、COUPP、KIMS等,而且其灵敏度在不断地提高。在这方面,中国科学家团队通过大量的调研,发现我国四川锦屏山隧道将有望建成世界上埋深最大的地下实验室,对于开展高精度的暗物质直接探测实验具有重要的意义。经过近几年的努力,清华大学等合作单位基于高纯鍺的CDEX实验,以及上海交通大学等合作单位基于液氙的PANDAX实验将成为这个实验室首批开展的两个暗物质直接探测实验。

        　　关于暗物质性质的研究与天文研究紧密相关。 比如, 对于暗物质的直接探测和间接探测,其信号的预言或解释都依赖于暗物质的密度及空间分布,因此,这些研究必须和天文研究紧密结合。在这方面, 我国的LAMOST望远镜将有可能, 特别是南极 DOME A大型望远镜将预期起重要的作用。

        　　暗物质、暗能量的研究需要理论和实验, 更重要的是物理和天文等多学科的交叉研究。 同时要开展国际合作。 这是一个系统工程, 只有多学科多部门的合理协调统筹安排及科学规划, 我们才能不失时机地参与国际竞争,为人类文明科技发展做出应有的贡献。

         总之, 在过去的10余年间, 国际上宇宙学的发展是惊人的。 自中科院创新工程实施以来,我国科学家抓住了这个机遇,在计算宇宙学及理论模型研究方面都取得了重要的成果;在以国际合作为主的实验研究及天文观测方面也做出了重要的工作。中国科学家对近年来“精确宇宙学”的贡献是不可忽视的*。另一方面,暗物质、暗能量是新世纪重大的科学问题,我国科学工作者已绘制了开展该方向探测研究的路线图。更重要的是经过10多年的努力, 我们已形成了一个物理天文理论实验观测紧密结合的创新文化研究气氛。10年后的中国宇宙学将会较今天有更大的发展。