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现代物理学界对于暗物质与暗能量的实验探究

1.欧洲在天体粒子物理领域的发展战略

2008年9月29日布鲁塞尔消息，欧洲今天向全世界宣布了欧洲在天体粒子物理（AstroparticlePhysics）领域的发展战略.

什么是暗物质（DarkMatter）？宇宙射线（CosmicRay）的起源是什么？宇宙中星体经历的剧烈过程起什么样的作用？我们是否可以探测引力波（GravitionalWave）？物理学家们期望通过这七类大型天体粒子物理项目找到这些问题的答案，这七类项目分别是：

1.CTA：用来探测高能宇宙伽马射线（CosmicHigh-EnergyGammaRay）的大型契伦科夫望远镜阵列（ArrayofCherenkovTelescope）；

2.KM3NeT：放置在地中海中的一个千米见方的中微子望远镜（NeutrinoTelescope）；

3.搜索暗物质的吨级探测器；

4.测定中微子质量和基本性质的吨级探测器；

5.研究中子衰变（ProtonDecay）、中微子天体物理（NeutrinoAstrophysics）以及探测中微子性质的百万吨级探测器；

6.探测带电宇宙射线的探测器阵列；

7.第三代地下引力波探测器（GravitationalAntenna）.

来自德国电子同步加速器实验室（DESY:DeutschesElektronenSynchrotron）的ChristianSpiering是路线图委员会（RoadmapCommittee）的主席，他说：“新的激动人心的发现就在我们前面；在下个十年中能否引领潮流取决于我们现在做出什么样的决定”.在花了两年的时间规划战略路线图之后，《欧洲天体粒子物理战略》（TheEuropeanStrategyforAstroparticlePhysics）的发表标志着欧洲在这个领域日趋国际化的探索过程中为谋求领导地位跨出了重要的一步.

从海底到地下、再到无垠沙漠以及外太空的实验室，天体粒子物理实验接受了激动人心的挑战.这个领域是粒子物理（ParticlePhysics）、宇宙学（Cosmology）和天体物理（Astrophysics）的交叉学科，它的目标是探测难以捉摸的粒子，探索宇宙最深层次的奥秘，是一个非常有希望取得重大进展的领域.

为了确保欧洲各国在天体粒子物理学研究方面能够相互协调，来自十三个国家的研究机构加入了欧洲天体粒子物理研究网（ASPERA:AstroParticleERA-Net），这是一个由欧洲委员会（EuropeanCommission）资助的欧洲研究网（ERA-Net：EuropeanResearchAreaNet）.经过欧洲天体粒子物理研究网的努力，欧洲国家第一次有一个共同的平台一起参与项目，并分享他们在天体粒子物理方面的成果.

这个雄心勃勃的计划将联合欧洲国家一起开启一扇探索宇宙的窗口，并于2012年启动像CTA和KM3NeT这样一批最为先进的项目，这是非常激动人心的.这个项目的全部预算达到数十亿，为了实现这个目标需要从现在开始就逐年增加对于天体粒子物理的投入，并在十年之后达到百分之五十的增幅.

欧洲天体粒子物理研究网的协调员StavrosKatsanevas教授说：“要按时地实现这个七大项目是一个很大的挑战，但是我们非常自信，这些项目不会像电影里发生的那样被突然砍掉，因为欧洲的研究机构都非常支持这几个优先发展的项目，在其它几个洲也是同样的情况.”

这就是为什么欧洲天体粒子物理研究网将于2008年9月29日和30日欢迎来自欧洲之外的全世界200位科学家以及基金会的官员，以谋求国际合作.欧洲的天子粒子物理学家们重申了他们支持致力于探索暗能量（DarkEnergy）现象的地面和空间计划.他们还呼吁建立一个地下实验室之间的合作网、以及天体粒子物理领域中进行技术创新.此外他们还表示希望能建立欧洲天体粒子物理理论中心（EuropeanCentreforAstroparticlePhysicsTheory）.

2.我科学家挑战现代物理学“两朵乌云”——国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究及实验预研”启动

暗物质和暗能量被称为21世纪现代物理学和天文学晴朗天空中的“两朵乌云”，揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命.3月18日，国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究及实验预研”在京启动.这标志着中国科学家将向揭开“两朵乌云”之谜发起挑战.

“随着越来越多和越来越精确的宇宙学数据的获得，暗物质、暗能量存在的证据变得越来越清楚.而伴随着一系列更高精度的天文学观测实验的实施，预示着宇宙学研究的黄金时代已经开启.”项目首席科学家、中国科学院院士、中国科学院理论物理所所长吴岳良说.

上世纪30年代，美国加州理工学院从事天体物理研究的瑞士籍科学家弗里兹·兹威基研究了星系团内星系的运动.星系团中的星系因被自身引力束缚，运动速度与引力必须达成平衡才不致出轨.而兹威基发现，星系团内星系远远不足以产生如此大的引力，一定还存在人类看不见的其他物质，并首次提出暗物质存在的可能性.暗物质存在的直观证据是引力透镜现象.当遥远星系发出的光途经某个星系团附近时，光线就会因星系团引力偏折，这时的星系团就好似一个透镜，朝这个方向望去就会看到巨大的光弧甚至同一个星系的几个不同镜像.

“现代宇宙学认为，整个宇宙中物质占27%左右，暗能量占73%左右.而在这27%的物质中，暗物质占90%，夸克物质占10%.”吴岳良解释说，所有已知物质都是由基本粒子组成，夸克物质也就是现今为止人类能解释其基本粒子构成的所有物质.但暗物质是由什么组成的仍然是个谜，甚至对于暗物质粒子的质量是多大，仍在几十个数量级上无法确定.

19世纪末物理学晴朗天空中的“两朵乌云”：迈克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验给物理学界带来了革命性变革，促使“新理论”——“量子论”和“相对论”的发现，极大地推进了人类对物质世界的认识.

吴岳良认为，理解暗物质和暗能量问题同样需要发展和建立新的理论，一旦取得突破，将带来一场重大的物理学和天文学革命.根据爱因斯坦引力理论和目前关于宇宙加速膨胀的天文观测，暗物质、暗能量与宇宙将来的演化密切相关，通过暗物质、暗能量的研究，人类对物质、时空和宇宙的起源等基本问题将会有更深的认识.为此，2009年，科技部批准“暗物质、暗能量的理论研究和实验预研”项目，中国科学院多个研究所、上海交通大学、中国原子能科学院等多家科研单位参与其中.吴岳良介绍说，目前，我国科学家对暗物质和暗能量的研究，无论在理论模型和方法，还是实验探测和技术方面都已迈出了重要的一步.

在实验方面，中国科学院紫金山天文台利用先进薄电离量能器（ATIC）探测器发现高能电子能谱的“超”，可能与暗物质湮灭有关，结果发表在2008年11月20日的英国《自然》杂志上，并入选美国物理协会和欧洲物理协会各自评选的2008年度世界物理学领域重大研究进展；中国科学院高能物理所多位实验物理学家参与了意大利DAMA实验组对暗物质的长期探测，报道了有关暗物质粒子的可能信号；上海交通大学在暗物质直接探测的XENON探测技术方面已有基础；清华大学在低本底、低能量阈高纯锗探测器方面开展了长期研究.

在理论方面，中国科学院理论物理所、中国科学院高能物理所、中国科学院国家天文台、北京大学、清华大学、中国科技大学、复旦大学等单位的研究人员提出了解释暗物质和暗能量的理论模型和机制，做出了具有国际影响的工作.

“很多方面已有了长期的工作积累和研究结果.我国已具备了开展这方面理论研究和实验探测的基础以及实验所需的合适条件.”吴岳良说.

与此同时，我国科技领域已有的一些重要进展也为破解这一世界重大难题提供了必要条件.例如，我国现有的卫星平台完全能满足暗物质空间探测要求.

据了解，目前清华大学和二滩水电站合作，正在建设全世界最大埋深的暗物质地下探测实验室——四川省锦屏山地下实验室，埋深达2500米（水当量埋深达6000多米），预计年内可完工.

此外，我国科学家已经登上南极冰穹A（DomeA），而南极冰穹A有可能成为世界上条件最好的开展暗能量和暗物质研究的地面观测站址之一，因为这一地点具有最佳视宁度、最佳大气透明度、最长的连续观测时间等有利条件.

据吴岳良介绍，该“973”计划项目课题设置为5个，分别是暗物质的理论研究及相关新物理唯象、暗物质的空间探测实验研究、暗物质的地下探测的前沿技术预研、暗物质吨级液氙探测器的预研和暗能量的理论研究及地面探测方案研究.

该项目的总体学术思路是：发挥理论先行和实验预研的作用，强调理论研究与实验探测设计相结合和多学科交叉融合的优势，从地下、地面到空间多种手段互为补充，构成有机整体，为开展对暗物质的间接和直接探测提供可靠的物理依据和可行的实验设计及有效的探测方案，推进我国空间卫星的天体粒子物理实验平台、四川锦屏国家深部地下实验室，南极冰穹国家地面天文望远镜观测实验基地的建设.“项目集中了国内在暗物质和暗能量领域的主要优势单位，组成了一个跨学科的研究队伍.”吴岳良说，研究队伍有开展暗物质和暗能量理论研究需要具备的坚实理论基础，包括粒子物理理论、引力理论、大统一理论（如超弦理论）等基本理论；有加速器、探测器建造和相关技术及国际合作的丰富经验；有长期相关实验组的研究并取得重要成果，积累了丰富的经验.诺贝尔奖获得者李政道曾说：“了解暗物质和暗能量，是人类向21世纪科学史的大挑战.”据了解，美国和欧洲已分别于2006年和2008年开展了暗物质、暗能量的研究计划.“暗物质研究的发展趋势，必将从天文观测转向对暗物质粒子性质的实验探测.从现在开始的10至20年将是暗物质探测最重要和关键的时期.在暗物质、暗能量国际重大前沿研究领域，我国科学家应该有所作为.”吴岳良说：“希望我国科学家齐心协力、优势互补、通力合作、努力拼搏，经过项目5年的支持，获得跨越式发展.”柯什纳将这看成是一个挑战.他说：“这并不意味着我们的理论中存在着任何瑕疵.我们也并不会因此而失望，相反，我们深受鼓舞.”