暗物质是天文学家在观测宇宙时发现的一种“黑暗”物质。所谓“暗”物质，就是没有观测到这种物质的电磁辐射。我们知道，天文学家观测宇宙所通过的介质是不同波长的电磁波，如图1所示。根据波长的不同，电磁波从波长最长的无线电波、微波、红外线、可见光，到波长较短能量最高的紫外线、X射线、射线。现代天文仪器发展很快，各个波段都有非常强大的仪器。但是这些强大的天文仪器都没有观测到暗物质发出的电磁辐射，所以称之为暗物质。
图1。不同波长的电磁波辐射
那么暗物质是如何被发现的呢？我们可以从太阳系海王星的发现历史中得到很多启发，从而更好地理解暗物质的发现。自从牛顿发现万有引力定律以来，天文学家已经成功地解释了大多数行星的轨道，如图2所示。但是天王星的轨道并不能得到满意的解释，它的运动规律明显不同于引力的预测。法国天文学家列维和英国天文学家亚当斯推测，当时太阳系中应该还有一颗行星没有被发现。这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了最初的预期轨道。根据他们的预测，盖尔在1846年发现了这颗行星，海王星。这个故事和今天的暗物质很像。虽然我们没有观测到暗物质的任何电磁辐射，但是我们观测到了它的引力对其他可见物质运动的影响。这也是天文学家推断宇宙中存在暗物质的原因。
图2。太阳系的行星结构
首先以太阳的运动为例。如图3所示，太阳到银河系中心的距离为2.8万光年，而绕银河系中心旋转一周所需的时间为2.3亿年。我们知道，将太阳固定在这样的圆形轨道上所需的向心力等于物质提供的引力。通过简单的计算可以发现，产生这样的向心力大约需要太阳轨道上的1011MSun(太阳质量)，而可以观测到的恒星和气体的质量大约只有109MSun的几倍。显然，有更多的无形物质有助于更强的引力。这个推论和当初海王星除了天王星还存在的推论是一样的。如果没有暗物质，向心引力会弱很多，太阳的自转速度也会慢很多。
图3。太阳围绕银河系运动的参数
图4。旋转曲线为4。M33
图4显示了一个名为M33的星系中，恒星围绕星系中心的自转速度随距星系中心距离的分布。上面的曲线是观测到的速度，下面的曲线是根据观测到的可见物质估算出的速度分布。我们可以看到两者存在明显的差异，实际测量的结果远大于计算的结果，这表明存在增加引力的看不见的物质，这是天文学家推测暗物质存在的最直接的观测证据。暗物质的分布可以根据不同距离的旋转速度计算出来，这样我们就可以得到如图5所示的银河系物质分布图。从图5中可以看出，我们星系中的大部分恒星都分布在一个小圆盘结构中，也就是我们熟悉的银盘。银盘周围是由巨大暗物质组成的球形结构，称为暗物质晕。
图5。银河系中物质的分布：普通恒星分布在圆盘结构上，而暗物质形成一个巨大的几乎球对称的晕结构，称为暗物质晕。
上面的介绍是通过星系中恒星的自转速度来判断暗物质的存在，这是暗物质存在的最直接的观测证据。还有很多其他的天文观测，都证实了宇宙中暗物质的存在。比如热气体在星系团中的分布、星系团引起的引力透镜效应、宇宙微波背景的观测等，都在更大的尺度上证实了暗物质的存在。今天，天文学家已经建立了一个“标准宇宙模型”。在这个模型中，宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成，可以成功解释迄今为止几乎所有的宇宙学观测。可以说是人类对宇宙的最新认识。
虽然大量的天文观测已经证实了暗物质的存在，但与发现海王星的过程不同，经过多年的努力，我们仍然没有直接观测到暗物质的存在。暗物质是一种什么样的物质？一般认为暗物质应该是由一种全新的粒子构成的，这种粒子不同于我们已经知道的构成我们周围物质的任何粒子。据我们所知，它是一种稳定、不带电且移动缓慢的粒子。然而，它的具体性质，如它的质量和它的相互作用的性质，是无法确定的。
物理学家也提出了很多暗物质模型来解释暗物质现象。但由于没有暗物质观测的直接数据，不同暗物质模型中暗物质粒子的性质差别很大。在众多暗物质模型中，目前研究最多的是一种叫做“弱作用重粒子”的模型。这类模型的出发点是解释“宇宙中暗物质是如何产生的”问题。这个模型认为暗物质和普通物质一样，应该是在宇宙非常早期从高温高密度的状态中产生的，这和普通物质的过程是一样的。如果这个假设成立，发现当暗物质的质量和相互作用强度与我们已经知道的弱效应相似时，那么它就在宇宙中。
中所产生的密度就和今天我们观测到的密度相一致。由于这类模型能够解释我们观测到的暗物质在宇宙中的丰度，因而受到了极大的关注。目前大部分暗物质探测实验所要寻找的对象就是这种“弱作用重粒子”的暗物质。当前探测暗物质主要包括三类实验方案，如图6所示。要探测暗物质粒子就需要探测到暗物质粒子和普通粒子的相互作用，只有通过对探测信号的分析才能了解图6中“未知相互作用”是什么样的。这种相互作用体现在三个方向上，从下向上，就是通过把普通粒子加速到很高的能量对撞产生出暗物质粒子，这就是对撞机探测，比如在欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)上进行的暗物质寻找就是这种探测方式。横向的方向表示一个暗物质粒子和普通粒子发生弹性散射，通过探测这种散射产生的信号寻找暗物质被称为暗物质的直接探测。从上向下的方向代表着两个暗物质粒子碰撞并湮灭而产生一对普通粒子，通过寻找这样的湮灭产物寻找暗物质粒子被称为暗物质的间接探测。
图6.暗物质的三种探测方式
暗物质的直接探测就是寻找当暗物质粒子打到探测器后所留下来的信号，通常这个信号非常的微弱，而宇宙线的噪声信号要远大于暗物质的散射信号。因而，为了探测到这样微弱的信号，需要把探测器放在很深的地下实验室以把宇宙线噪声屏蔽掉。图7显示的是世界上地下实验室的分布以及每个实验室中所开展的暗物质直接探测实验。我国的四川锦屏地下实验室于2010年建成，是目前最深的因而也是宇宙线噪声最小的地下实验室，非常适于暗物质探测实验的开展，目前有两个直接探测实验正在锦屏地下实验室进行。不过，尽管直接探测实验已经开展了大约30年的时间，实验灵敏度有了巨大的提高，但是到目前为止，还是没有发现令人信服的暗物质散射的信号。
图7.世界上的地下实验室分布和相应实验室开展的直接探测实验
图8.暗物质间接探测示意图
暗物质的间接探测的原理如图8所示，即两个暗物质粒子碰撞后会发生“湮灭”而变成我们熟悉的夸克、轻子等粒子。这些不稳定的粒子会迅速衰变而成为稳定粒子，如正负电子、正反质子、中微子、光子等。间接探测即是通过寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质。间接探测实验通常在地面和空间进行，地面的实验适合探测暗物质湮灭所产生的γ射线信号和中微子信号，但带电粒子会和大气很快发生反应，所以地面实验不是特别适合探测带电粒子信号。通常为了得到更加干净的暗物质湮灭信号，需要在空间开展实验，包括卫星实验和在空间站开展的实验。目前正在进行的空间实验有如下几个。Fermi卫星是美国发射的γ射线探测卫星，用来寻找暗物质湮灭所产生的γ射线信号。Fermi卫星2008年发射，至今已经运行了近10年，取得了大量的科研成果。然而，它却没有发现暗物质湮灭的信号，因而，给暗物质性质设置了非常严格的限制。另外两个实验PAMELA卫星实验和AMS-02国际空间站实验（图9）都带有磁场，因而能够测量带电粒子的电荷。它们主要是测量宇宙线中的反粒子，如正电子、反质子等，以寻找暗物质信号。最后一个是我国在2015年发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”，它主要是通过探测暗物质湮灭所产生的电子来寻找暗物质信号。
图9.几个空间的暗物质探测实验：AMS-02空间站实验、Fermi卫星、“悟空”卫星
近年来在暗物质探测方面一个重要的进展就是发现了宇宙线中存在正电子超出。PAMELA卫星在2008年发现宇宙线中正电子比通常宇宙线物理所预期的流量高出了许多，这多出来的正电子让科学家非常兴奋，认为有可能就是人们长期梦寐以求的暗物质信号。研究表明，暗物质湮灭的确可以完美解释这些多出来的正电子。但不幸的是，暗物质却不是唯一的解释。天文学家认为，银河系中存在一种称为脉冲星的天体，它是高速旋转的中子星。这种天体可以加速产生高能量的正负电子对并辐射到银河系空间，这类信号如果传播到地球上，就可以解释实验所观测到的多余正电子信号。AMS-02是由著名的华裔物理学家丁肇中教授所领导，安装在国际空间站上的大型实验装置。它更加精确地测量了宇宙线中正负电子的能谱，不但证实了PAMELA的观测，还在更大的能量范围和更高的精度上扩展了这一结论。但是，即使是AMS-02的结果也无法确认正电子的来源到底是暗物质还是脉冲星。图10中不同的曲线代表了不同来源的正电子，我们发现这些曲线都能够解释图中的AMS-02的数据点。要解决这个问题需要更大的探测器才可能完成。此外，AMS-02最近发表了反质子的测量结果，这个测量结果似乎在最高能量的地方和宇宙线的理论预期不符，即需要额外的反质子来源。如果这一结果将来被证实，这极有可能是暗物质湮灭的信号。但目前的实验数据仍然不足以确认这一结果。
图10.AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例（点）和不同的理论模型解释（图中的实线）
我国的“悟空”卫星就是希望能够在更高的能量范围内测量宇宙线电子的能谱(由于“悟空”探测器不带磁场，因而无法区分正负电荷，它测量的实际是电子和正电子加起来的能谱，我们统称为电子能谱)，从而可以帮助研究宇宙线超出的正电子的来源。“悟空”的第一个实验结果在2017年底发表（图11），这个结果是第一次通过空间直接探测，把宇宙线电子的能量测量到4.6TeV，并发现了能谱的“拐折”的结构，但是，这些还是不足以确认是否存在暗物质。寻找暗物质可能需要在更高能量及更高精度上进行研究。我国空间站的未来宇宙线实验HERD将可能在这方面取得重要的突破，为暗物质寻找提供更多的线索。
图11.“悟空”的观测结果---高能电子能谱
总之，暗物质问题是当前基础物理学研究中一个至关重要的问题，科学家为解决这一问题做出了不懈的努力。然而，这些探寻暗物质的工作，尽管取得了巨大的进步，获得了多方面的科研成果，却仍然没有找到确定的暗物质信号，暗物质之谜将继续存在并依然困扰着人们。可喜的是，我国科学家在这一领域虽然起步较晚，但已经取得了国际领先的成果，在不同暗物质探测方向上都显示了极强的竞争力。
作者系中国科学院高能物理研究所研究员
