張新民 陳學雷

（1中國科學院高能物理研究所 北京 100039 2中國科學院國家天文臺 北京 100012）

近10余年，宇宙學研究發(fā)展迅速，人們對宇宙有了全新的認識。2010年年底，在本世紀首個10年即將結束之際，美國《科學》雜志審視了進入新千年以來所取得的重要的科學進步，評選出了10項科學成就 （Insights of the Decade），“精確宇宙學”名列其中[1]。 這是對宇宙學研究的一個肯定。的確，在過去的10年間，以Wilkinson微波背景各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）為代表的天文觀測對宇宙學參數(shù)進行了精確的測量，不僅使宇宙學研究步入了輝煌的時代，同時對物理學提出了重大挑戰(zhàn)。這些天文觀測告訴我們，宇宙的基本組成中大約73%是暗能量，23%是暗物質。

從粒子物理學研究物質基本結構的觀點出發(fā)，我們知道普通物質是由分子、原子構成。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標準模型所描述的夸克和輕子以及傳遞相互作用的規(guī)范玻色子。但是，天文觀測告訴我們這些普通物質只占4%，而96%是暗物質和暗能量。暗物質、暗能量問題對粒子物理學提出了重大的挑戰(zhàn)。尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘，結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發(fā)展的一個重要趨勢。目前世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關，開展這一重大交叉學科的研究。自實施知識創(chuàng)新工程一期起，中科院就將粒子宇宙學列為重要研究方向。 經過多年的努力，我國科學家在宇宙學暗物質、暗能量理論研究、計算宇宙學研究以及基于國際合作的實驗研究方面都取得了一些顯著的成果。但是就整體水平而言，特別是在以我為主的實驗研究方面，與世界水平還相差甚大。 但十分可喜的是，經過多年的研究和探討，我國科學家通過認真調研國際上在這一領域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,特別是結合我國的具體情況已初步繪制了我國開展暗物質、暗能量探測的“上天入地到南極”的路線圖，為未來發(fā)展奠定了一個好的基礎。

本文將評述暗物質、暗能量領域的研究和發(fā)展。 首先介紹宇宙學研究的歷史，現(xiàn)狀以及精確宇宙學對粒子物理提出的新挑戰(zhàn)；接著將介紹國內外暗物質、暗能量研究的發(fā)展狀況以及我國在暗物質、暗能量實驗探測研究方面的前景。

1 精確宇宙學和粒子物理新挑戰(zhàn)

探索宇宙起源及演化的奧秘是天文學和物理學研究的一個最基本的問題。 大爆炸宇宙學模型告訴我們，大約137億年前，大爆炸發(fā)生的那一刻，宇宙處于一個極致密、極高溫的狀態(tài)，之后宇宙逐漸膨脹、冷卻并演化至今。大爆炸宇宙模型的一個重要預言是宇宙微波背景輻射（CMB）。它產生于大爆炸發(fā)生之后大約38萬年，那時宇宙的溫度非常高，宇宙氣體處于高度熱平衡，發(fā)出的輻射光子帶有很明顯的特征，高度符合普朗克的黑體譜。之后隨著宇宙的持續(xù)膨脹，它的溫度逐漸降低至今天的2.7K。早在20世紀60年代，美國貝爾實驗室的工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜就發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的存在，并因此獲得了1978年諾貝爾物理學獎。上世紀90年代，美國科學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特帶領的研究團隊利用COBE衛(wèi)星觀測在更高精度上發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜，進一步證實了大爆炸宇宙學模型，更重要的是他們還發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射上幅度大約只有十萬分之一的各向異性。為此，約翰·馬瑟和喬治·斯穆特獲得了2006年的諾貝爾物理學獎。這個小的溫度漲落，根據(jù)目前的流行理論，起源于早期宇宙的暴漲過程（Inflation）的量子漲落，正是這一原初漲落造成了宇宙物質分布的不均勻性，最終得以形成諸如星系團等的宇宙結構。

自COBE之后，特別是1998年以來觀測宇宙學的研究取得了一系列重大進展，具有里程碑意義的是1998年超新星[2，3]觀測發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，揭示了暗能量的存在；2000年BOOMERANG和MAXIMA氣球實驗對CMB溫度功率譜第一峰位置的測量揭示了宇宙是平坦的；2002年DASI第一次發(fā)現(xiàn)了CMB的極化；特別是2003年以來WMAP[4]對CMB的精確測量，斯隆數(shù)字巡天（SDSS）[5]大尺度結構 （LSS）的觀測以及更大樣本的超新星（SN）觀測等對宇宙學參數(shù)進行了精確的測量，使宇宙學的研究步入了輝煌的精確宇宙學時代。美國《科學》雜志是這樣評述精確宇宙學的：“在過去10年中，研究人員非常精確地推測出宇宙物質的成分是普通物質、暗物質和暗能量。同時，他們闡述了將這些成分組成宇宙的方法。這些進展將宇宙學轉變成為一種有著標準理論的精確科學，而留給其他理論的活動空間已十分狹小?！边@段話事實求是地評價了近年宇宙學研究所取得的成就。下面就兩個方面我們再做一些進一步的闡述，其一是關于WMAP與精確宇宙學，另一方面是關于宇宙學的標準理論。不可置疑，對于精確宇宙學的成就，WMAP的貢獻是巨大的。2010年WMAP獲得了邵逸夫獎。精確宇宙學體現(xiàn)在宇宙學參數(shù)的精確測量。目前國際上物理和天文界基本上都采用WMAP組所給出的宇宙學參數(shù)值，但需要指出，WMAP的結果是在綜合了國際上其他天文觀測以及物理分析方法的基礎上而得到的，其中也包括了中國科學家的工作，比如，我們提出的暗能量擾動和利用CMB極化測量旋轉角并檢驗CPT對稱性的新方法。2010年初WMAP組公布了7年累計的觀測數(shù)據(jù)[6]，在他們關于宇宙學參數(shù)的論文中，共引用了中國科學家10多篇文章，體現(xiàn)了中國科學家對精確宇宙學研究的貢獻。

在理論研究方面，《科學》雜志的評述恰如其分：“這些進展將宇宙學轉變成為一種有著標準理論的精確科學，而留給其他理論的活動空間已十分狹小”。在粒子物理研究領域，經過上世紀幾十年的發(fā)展，理論體系是完整的，這就是粒子物理的標準模型。在宇宙學領域，其基本理論的出發(fā)點是愛因斯坦引力和宇宙學原理以及引力擾動結構形成理論。關于這方面由于嚴格求解的困難性，國際上已編成了各種不同形式的程序，例如CAMB/CosmoMC，以此用來直接與觀測比較，確定宇宙學參數(shù)。在這樣一個理論框架下，目前用10個左右的參數(shù)（最基本的只有6個）就可以很好地擬合來自于CMB、LSS、SN等各種天文觀測的數(shù)據(jù)。相比之下，粒子物理的標準模型中有18個自由參數(shù)，表征粒子的質量，規(guī)范耦合常數(shù)，混合角等。如果考慮有質量的中微子，參數(shù)的數(shù)目會更多。就此意義上講，宇宙學的標準模型所獲得的成功可與粒子物理的標準模型相媲美。另外，WMAP的貢獻在一定意義上很類似于上個世紀90年代CERN的正負電子對撞機LEP對于粒子物理標準模型精確化的推動和檢驗。兩位理論家M.Veltman和G.`tHooft為此獲得了諾貝爾獎，其主要貢獻是關于標準模型理論的可重整性的證明。大家知道，有質量的弱規(guī)范玻色子理論其計算結果是無窮的，發(fā)散的。通過引進Higgs場，Veltman和`tHooft證明理論是可重整的，沒有發(fā)散的。這樣使得粒子物理的標準模型能夠得以精確的檢驗。當然至今Higgs粒子并沒有在實驗上發(fā)現(xiàn)，尋找Higgs是目前LHC的重要科學目標。宇宙學中的線性擾動理論在傳統(tǒng)的研究中不存在發(fā)散問題。不過當研究動力學暗能量時，特別是當其狀態(tài)方程越過宇宙學常數(shù)線時，擾動量是發(fā)散的，計算的結果也是無窮的。為了解決這個問題，同樣需要引進新的自由度，Quintom場。

精確宇宙學對粒子物理學提出了一些重大的挑戰(zhàn)。暗物質和暗能量問題是現(xiàn)代物理科學中兩朵新的烏云，對它們的研究將極有可能孕育出新的物理學和天文學重大發(fā)現(xiàn)乃至科學上的革命，對于未來的科學發(fā)展具有難以估量的重要作用。

2 暗物質

早在70多年前，天文學家通過天文觀測已經推測到暗物質的存在。之后，大量的天文觀測不斷積累的數(shù)據(jù)也證實了暗物質的存在。那么什么是暗物質呢？簡單來說，暗物質是一種不發(fā)光的物質，它有顯著的引力效應[7]。

從粒子物理的觀點出發(fā)，有質量的中微子是一種暗物質粒子，但它是熱暗物質。WMAP、SDSS等天文觀測的結果說明，它的質量應當非常小，在暗物質中只能占微小的比例，絕大部分應是所謂的冷的或溫的暗物質。那么這些暗物質粒子究竟是什么呢？目前還不清楚。理論物理學家有多種猜測，例如，惰性中微子（Sterile neutrino）溫暗物質、引力微子 （Gravitino） 溫暗物質、 軸子（Axion）冷暗物質等。文獻中，一種比較流行的是弱作用重粒子 （Weakly Interacting Massive Particles,簡稱 WIMPs），例如，超對稱理論中最輕的超對稱伴子——中性伴隨子（Neutralino）[8]。 取決于產生機制，WIMPs可以為冷的也可以為溫的暗物質。目前世界各國科學家，正在進行各種加速器和非加速器實驗，試圖找到這種WIMPs暗物質粒子。

為什么相信WIMPs是暗物質呢？其原因有下面幾點：

（1）就粒子物理而言，WIMPs是一些流行的新理論，如超對稱、額外維空間等理論模型中一個自然的預言；

（2）就宇宙學而言，WIMPs能自然地解釋現(xiàn)在觀測到的宇宙暗物質的密度。由于WIMPs具有弱相互作用，在宇宙早期當溫度高于WIMPs質量時，WIMPs與宇宙中的其他成分，如光子、電子等快速反應并達到了熱平衡。然而隨著宇宙膨脹溫度下降，WIMPs與其他粒子的反應速率也降低，當溫度低于WIMPs粒子的質量時WIMPs無法與宇宙中的其他成分保持熱平衡的狀態(tài)，這一過程被稱為WIMPs暗物質的退耦。物理上，這一過程可以通過求解WIMPs暗物質粒子的玻爾茲曼方程來嚴格描述。通過理論計算得知，對于WIMPs來說，它的剩余豐度（relic density）與今天宇宙學觀測所得到的暗物質密度一致，這被稱為WIMPs奇跡（WIMPs miracle）；

（3）就實驗而言，WIMPs的粒子性質如質量和相互作用可以在歐洲核子實驗中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上來直接檢驗，而中科院高能物理所的正負電子對撞機實驗可以通過測量稀有衰變來探測輕的WIMPs及其相關的粒子。WIMPs作為暗物質粒子，由于與普通物質具有弱相互作用，具有可探測性。相比之下，對于許多其他的暗物質模型，由于其與普通物質的相互作用更弱，在目前的實驗水平下使得探測它們的可能性更小。

總而言之，WIMPs是理論物理學家“喜歡”的新理論中預言的新粒子，同時宇宙學家發(fā)現(xiàn)它正好給出宇宙中所需的暗物質密度，而在基于加速器和非加速器的實驗上對于WIMPs的探測都具有可行性。正因為如此，人們預期對于WIMPs暗物質的研究在不久的將來會有重大的突破。

上面談到的WIMPs暗物質是在宇宙演化過程中通過熱過程產生的。這種WIMPs自產生以后就一直處于非相對論狀態(tài),所以是冷暗物質。冷WIMPs暗物質模型在大尺度上與觀測符合的很好，但在小尺度上與觀測矛盾。 鑒于此，10年前高能物理所張新民等人[9]提出了溫WIMPs暗物質模型。實現(xiàn)溫WIMPs要求在宇宙演化過程中WIMPs是通過非熱過程產生的，比如通過宇宙相變產生的宇宙弦或不穩(wěn)定的重粒子衰變成WIMPs，對于非熱產生的WIMPs，產生時它可以是接近相對論的，那么就可以產生足夠大的free streaming尺度。目前這種非熱產生的WIMPs暗物質已引起了廣泛的關注。

暗物質粒子的實驗探測方法大致可以分為兩類。一種為直接探測實驗，即采用高靈敏度的探測器直接探測當暗物質粒子和探測器物質發(fā)生碰撞后所產生的信號。另一類實驗稱為間接探測實驗，其主要是探測暗物質粒子自湮滅或衰變的產物，如伽瑪射線、中微子、正電子、反質子等。另外，高能對撞機（如大型強子對撞機LHC）可能會直接對撞產生出暗物質粒子。

在暗物質粒子的直接探測方面，中國和意大利科學家合作的DAMA實驗，12年的連續(xù)積累得到了近9σ的年調制效應，但需要其他實驗組的證實和物理上的理解。CoGeNT實驗組觀測到了一些疑似暗物質的信號，CDMS實驗也看到了一些跡象，但都需要進一步的驗證。 近期，中國科學家參與的XENON100實驗組公布了新的結果，沒有發(fā)現(xiàn)暗物質存在的事例。 在暗物質粒子間接探測方面，近年也取得了一些引起廣泛關注的成果。2008年PAMELA衛(wèi)星實驗發(fā)現(xiàn)了宇宙線中的正電子比例明顯超出了宇宙線的背景，另外中科院紫金山天文臺的科學家做出重要貢獻的ATIC氣球實驗以及Fermi衛(wèi)星實驗、HESS切倫科夫實驗等也在宇宙線電子能譜的測量中發(fā)現(xiàn)了異常現(xiàn)象。這些跡象顯示了可能的暗物質的湮滅或衰變的信號，引起了國內外科學界廣泛的興趣并大力推動了近年暗物質理論的研究發(fā)展。

在暗物質研究領域，我國科學家在理論研究和數(shù)值模擬[10，11]以及基于國際合作的實驗研究方面都已取得了一些顯著的成果。

3 暗能量

1998年兩個Ia型超新星（SN）小組發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹，由此揭示了暗能量的存在，這一成果被美國《科學》雜志選為當年的世界十大科技進展之首。之后暗能量一直為物理學界和天文學界關注的焦點。暗能量的基本特征是具有負壓，在宇宙空間中（幾乎）均勻分布且不結團。

暗能量的一種可能性是宇宙學常數(shù)，或真空能。這種能量在日常的生活和科學實驗中感覺不到，但卻支配著宇宙的演化，驅動宇宙的加速膨脹。但是目前量子場論的理論預言值遠遠大于觀測值。如果認為愛因斯坦的廣義相對論和粒子物理的標準模型在普朗克標度以下都有效的話，理論計算的真空能將比觀測值大10120倍。這一理論與實驗的沖突即宇宙學常數(shù)問題是對當代物理學的一大挑戰(zhàn)。

另一種暗能量可能性是隨時間變化的動力學場的能量。最簡單的是一個具有正則動能的標量場，在文獻中它被稱為“Quintessence”（譯為精質）。 除此之外，目前國內外科學家已提出多種暗能量的物理詮釋。就唯象研究而言，不同的模型可由其狀態(tài)方程（或對于修改引力等模型而言的有效狀態(tài)方程）w （定義為p和ρ之比）來分類。如，對上面談到的宇宙學常數(shù)，W不隨時間而變并且w=-1；而對于動力學模型而言，w隨時間可變，且可以 w＞-1（Quintessence）[12],w＜-1 （Phantom 譯為幽靈）[13]或 越過 -1（Quintom譯為精靈）[14]。 由此認識暗能量物理本質的首要任務是天文觀測并通過數(shù)據(jù)擬合來測量暗能量的狀態(tài)方程。

值得指出，對于動力學暗能量來說，不同于宇宙學常數(shù)，它將帶來一系列有趣的物理現(xiàn)象。如，暗能量場與電磁場的相互作用QFμνFμν（其中 Fμν是電磁場張量）將會導致精細結構常數(shù)的改變；又如，中國科學家[15]和美國科學家[16]相繼提出的中微子暗能量模型，預言了中微子質量不是一個常數(shù)，而在宇宙演化過程中發(fā)生變化的新現(xiàn)象。更有意義的是，動力學暗能量場可導致宇宙學的CPT（電荷-宇稱-時間反演）對稱性破壞，給出CMB極化新的特征。這一點是近年國際上CMB理論和實驗研究的一個新課題，并且在這一領域中國科學家[17，18]做出了重要的貢獻。

暗能量的本質決定著宇宙的命運。如果加速膨脹是由真空能引起的，那么宇宙將永遠延續(xù)這種加速膨脹的狀態(tài)。宇宙中的物質和能量將變得越來越稀薄，星系之間互相遠離的速度將變得非常快，新的結構不可能再形成。如果導致當今宇宙加速膨脹的暗能量是動力學的話，那么宇宙的未來將由暗能量場的動力學決定，有可能會永遠加速膨脹下去，也有可能重新進入減速膨脹的狀態(tài)，甚至可能收縮，特別是在精靈暗能量框架下，宇宙將有可能是振蕩的。

目前的天文觀測（CMB+LSS+SN等）顯示在2σ范圍內宇宙學常數(shù)可以很好地擬合數(shù)據(jù)，但動力學模型沒有被排除，而且數(shù)據(jù)略微支持w越過-1的精靈暗能量模型。雖然目前的數(shù)據(jù)已經給暗能量的理論模型的參數(shù)空間很大的限制，但是不足以精確地檢驗這些模型。為此，國內外科學家正積極地策劃下一代地面和空間的大規(guī)模巡天項目，以提高測量精度，充分檢驗暗能量理論。

在暗能量理論研究方面，中國科學家提出了有特色的理論模型，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]。這些模型引起了國際上很大的關注，都有很高的引用率。比如，提出Quintom暗能量和Holographic暗能量模型論文的單篇引用（由SLAC-QSPIRES查知）已分別達到550次和448次。而且，國際權威綜述期刊Physics Reports還登載專文介紹了Quintom宇宙學。 在數(shù)值計算整體擬合確定暗能量狀態(tài)方程，檢驗暗能量模型方面，中國科學家做出了國際上有影響力的工作[22]，深受同行們特別是WMAP組的肯定。另外，在認識宇宙加速膨脹的物理機制，檢驗愛因斯坦引力方面，中國科學家也做出了顯著的成果[23]。

4 我國暗物質暗能量探測的可行性及挑戰(zhàn)

雖然在暗物質、暗能量理論研究方面和基于國際合作的實驗研究方面，我國科學家已取得了一些顯著的成果，但就整體水平，特別是在以我為主的實驗研究方面，與世界水平相差甚大。在中科院創(chuàng)新工程三期實施期間，作為院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“依托國內大科學裝置的粒子物理核物理和宇宙學的前沿理論研究”的一個重要的科學目標，即聯(lián)合院內外科學家，聚集理論實驗觀測物理天文不同領域的研究力量，對我國開展暗物質暗能量實驗探測的可行性進行了深入的研究。 中國科學家研究團隊通過認真調研國際研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,結合我國的具體情況，于2008年11月完成了“上天入地到南極”路線圖的制定。

在暗能量探測方面，國際上有代表性的下一代暗能量觀測項目包括LSST、WFIRST、Euclid、BigBOSS等。在我國已建成的LAMOST望遠鏡可以探測暗能量，但有一定的局限性。在光學和近紅外成像巡天方向，我國的南極昆侖站（DOME A）具有得天獨厚的觀測條件,在南極建一個大型光學/近紅外望遠鏡有望在昆侖站實現(xiàn)一個由中國主導的下一代暗能量巡天的項目。 近年來我國科學家又提出了空間站大光學平臺和天籟項目等新的實驗設想，這些對暗能量的研究都是十分重要的。

在暗物質粒子間接探測方面，國際上在未來的幾年，空間的FERMI、AMS02，地下的IceCube，地面的大型伽馬射線探測器HESS、Veritas、Magic 等實驗預期會有更多的數(shù)據(jù)。 在我國西藏羊八井宇宙線地面觀測站隨著實驗的升級和靈敏度的提高，特別是未來LHAASO項目的開展，在間接探測暗物質粒子方面將具有一定的潛力。在空間暗物質粒子間接探測方面，我國空間站暗物質粒子探測項目以及較近期的由紫金山天文臺等單位提出的小衛(wèi)星暗物質實驗都將預期對暗物質的研究做出有意義的貢獻。

在暗物質的直接探測實驗方面，世界各國已廣泛開展，例如 CDMS、XENON、ZEPLIN、Edelweiss、DAMA、PICASSO、COUPP、KIMS等，而且其靈敏度在不斷地提高。在這方面，中國科學家團隊通過大量的調研，發(fā)現(xiàn)我國四川錦屏山隧道將有望建成世界上埋深最大的地下實驗室，對于開展高精度的暗物質直接探測實驗具有重要的意義。經過近幾年的努力，清華大學等合作單位基于高純鍺的CDEX實驗，以及上海交通大學等合作單位基于液氙的PANDAX實驗將成為這個實驗室首批開展的兩個暗物質直接探測實驗。

關于暗物質性質的研究與天文研究緊密相關。 比如，對于暗物質的直接探測和間接探測，其信號的預言或解釋都依賴于暗物質的密度及空間分布，因此，這些研究必須和天文研究緊密結合。在這方面，我國的LAMOST望遠鏡將有可能，特別是南極DOME A大型望遠鏡將預期起重要的作用。

暗物質、暗能量的研究需要理論和實驗,更重要的是物理和天文等多學科的交叉研究。 同時要開展國際合作。 這是一個系統(tǒng)工程，只有多學科多部門的合理協(xié)調統(tǒng)籌安排及科學規(guī)劃，我們才能不失時機地參與國際競爭，為人類文明科技發(fā)展做出應有的貢獻。

總之，在過去的10余年間，國際上宇宙學的發(fā)展是驚人的。 自中科院創(chuàng)新工程實施以來，我國科學家抓住了這個機遇，在計算宇宙學及理論模型研究方面都取得了重要的成果；在以國際合作為主的實驗研究及天文觀測方面也做出了重要的工作。中國科學家對近年來“精確宇宙學”的貢獻是不可忽視的*“21世紀第二個十年的宇宙學”學術研討會報告，會議網址：http://lss.bao.ac.cn/meeting/cos11/。另一方面，暗物質、暗能量是新世紀重大的科學問題，我國科學工作者已繪制了開展該方向探測研究的路線圖。更重要的是經過10多年的努力，我們已形成了一個物理天文理論實驗觀測緊密結合的創(chuàng)新文化研究氣氛。10年后的中國宇宙學將會較今天有更大的發(fā)展。

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