探索暗物質屬性
——新物理的突破口

吳岳良

（中國科學院大學，北京100049）

探索暗物質屬性
——新物理的突破口

吳岳良

（中國科學院大學，北京100049）

吳岳良江蘇宜興人，理論物理學家，中國科學院理論物理研究所研究員、中國科學院院士。現任中國科學院大學常務副校長、中國科學院卡弗里理論物理研究所所長等職。主要從事基本粒子物理、量子場論及宇宙學的研究。

在過去的幾十年，人類對于整個宇宙的認識取得了輝煌的成就。逐漸累積的大量天文觀測數據表明了大量暗物質的存在。我們的宇宙中，已知的基本粒子只占整個宇宙的不到5%，約25%是不發光的通過引力效應觀測到的暗物質。但暗物質的屬性是什么仍然是個未解之迷。描述微觀粒子相互作用和運行規律的粒子物理標準模型取得了巨大的成功，然而粒子物理標準模型里卻沒有暗物質粒子的候選者。對暗物質的研究將極有可能孕育出新物理的重大發現，對于未來的基礎科學發展具有重要的影響。正因為如此，目前世界各國都非常重視對暗物質屬性的研究。我國在《國家中長期科學技術發展規劃綱要》《國家“十一五”基礎研究發展規劃》等發展規劃中也都把暗物質問題列為重要的科學前沿問題。科技部、中國科學院、教育部、國家自然科學基金委員會等相關部門都對暗物質的探測和研究給予了高度關注和重視。

2010年科技部優先啟動了“973計劃”項目“暗物質的理論研究和實驗預研”前沿交叉課題，筆者作為該項目的首席科學家，通過該項目的實施，組織科研院所和大學的相關科研隊伍，凝聚國內的優勢力量，開展強強聯合。該項目共設置6個子課題：1）由中國科學院理論物理研究所周宇峰研究員負責的暗物質理論研究及相關新物理唯象；2）由中國科學院紫金山天文臺常進研究員負責的暗物質空間探測實驗研究；3）由中國科學院高能物理研究所楊長根研究員負責的暗物質地下探測前沿技術預研；4）由中國科學院理論物理研究所蔡榮根研究員負責的暗能量理論研究和地面探測方案研究；5）由上海交通大學季向東教授負責的暗物質噸級液氙探測器預研；6）由清華大學岳騫教授負責的高純鍺陣列暗物質實驗預研。該項目的特色和目標是要充分利用理論研究與實驗探測設計相結合和多學科交叉融合的優勢，積極發揮理論的先行作用。突破探測器的關鍵技術，優化實驗探測方案設計，為開展對暗物質的空間和地下探測、暗能量的精確測量等提供可靠的物理依據和可行的實驗設計及有效的探測方案。同時，緊密結合實驗觀測，基于對稱性等基本原理和量子場論，建立自洽的超越粒子物理和宇宙學標準模型、能解釋暗物質、暗能量的可能的機制和理論。

在“973計劃”和相關配套項目的支持和推動下，我國的暗物質實驗探測和理論研究均取得了重大進展。一是在我國暗物質研究力量方面，從弱到強建立了一支能夠進行多學科交叉研究的理論和實驗隊伍，培養了一批優秀的年輕人才。二是在我國暗物質實驗探測方面，從無到有形成了地下到空間的直接和間接暗物質探測兩個大平臺，突破了一系列關鍵探測技術。三是項目的實施促進了理論與實驗結合，各課題之間開展緊密而又實質性的交叉融合。四是形成了良好的學術氛圍，不僅促進了項目內部之間的合作交流，還推進了國際合作交流，極大地提升了項目的創新能力和國際競爭力。

尤其在暗物質空間探測方面，研制了以硅陣列探測器和塑閃陣列探測器為徑跡探測器、BGO量能器為能量探測器的DAMPE暗物質粒子探測衛星。通過中國科學院先導項目的特別支持，暗物質粒子探測衛星“悟空”已于2015年12月17日發射上天，成為我國首顆暗物質探測衛星，也是我國首顆科學衛星。在暗物質直接探測方面，從無到有，在四川錦屏山建立了我國第一個深部地下實驗室。以清華大學為主的CDEX實驗組從地下實驗室屏蔽體建設、20 g和1 kg質量的原型探測器性能研究、10 kg高純鍺陣列探測器模擬設計、液氬低溫反符合系統模擬設計和建設、液氬反符合探測器原型性能研究和液氬探測器關鍵技術研究、暗物質實驗數據分析和物理分析等多個方面開展了卓有成效的工作。實驗組利用建成的1 kg高純鍺探測器開展暗物質實驗研究，在低質量區取得了有國際影響的研究成果。PandaX實驗組利用氣液氙兩相型時間投影室的技術來探測暗物質。建造了一個容納450 kg液氙的探測器，得到了基于37 kg液氙的暗物質探測結果。高能物理研究所實驗組研究發展了惰性液體探測器、晶體探測器及過熱液滴氣泡探測等新技術。建造了液氬探測器模型，用于研究液氬探測器相關技術、改進和創新探測器設計，為液氬探測器在研究新物理的應用進行預研。

在理論研究方面，中國科學院和高校的聯合課題組提出了解釋暗物質的模型和機制，開展了針對PAMELA/ATIC/Fermi和AMS-02以及其他可能的新實驗結果的唯象分析和理論模型建立。發展了能統一解釋直接和間接實驗探測結果的理論機制，對暗物質模型的增強機制及參數空間進行了完整分析。針對實驗探測和設計，提供物理基礎和理論依據。結合實驗觀測結果，基于對稱性等基本原理和量子場論，建立超越粒子物理標準模型的相關暗物質理論模型。暗物質理論研究為實驗的開展發揮了重要的推進作用，做出了具有國際影響的工作。

當前暗物質的實驗和理論研究發展十分迅速。全世界暗物質探測的實驗多達數十個，國際競爭十分激烈。中國已經具備了比較充分的實驗和理論研究基礎，有能力做出具有重要國際影響的工作。有理由相信，充分利用中國天時地利的優勢，我們將會在未來的暗物質理論和實驗研究中取得更大的進展。

—— 摘自《科技導報》2016年 第5期 第1頁