暗物质探测与搜寻

实验通过三种互补的方式搜寻暗物质：捕捉其与探测器散射的信号、发现其在空间中湮灭的产物，以及尝试在粒子对撞机中制造暗物质。

Definition

暗物质探测包括旨在观测暗物质超越其引力效应的实验策略：直接探测其与普通物质的散射、间接探测其湮灭或衰变产物，以及在对撞机实验中产生暗物质。

Scope

本主题涵盖了探测暗物质的主要实验方法，包括深层地下探测器中核反冲的直接探测、宇宙射线和伽马射线中湮灭或衰变信号的间接探测、对撞机中缺失能量的搜寻，以及专门的轴子实验，同时还包括了零结果所施加的限制。

Core questions

• 如果暗物质几乎不发生相互作用，如何才能探测到它？
• 直接、间接和对撞机搜寻有何区别？
• 几十年的搜寻迄今为止发现了什么？

Key concepts

• 直接探测
• 核反冲
• 间接探测
• 湮灭信号
• 对撞机缺失能量
• 轴子望远镜
• 排除限制

Key theories

直接探测

如果暗物质粒子偶尔与原子核发生散射，灵敏的深层地下低背景探测器可以记录微小的反冲能量，从而探测粒子的相互作用截面。

间接探测

在暗物质密度高的区域，粒子可能会湮灭或衰变为伽马射线、中微子或反物质，因此这些宇宙信号的过量可以揭示来自天空的暗物质。

Mechanisms

直接探测实验将探测器深埋地下并进行屏蔽，以观察罕见的核反冲；间接探测实验则搜寻高暗物质密度区域发出的伽马射线、中微子或反粒子；对撞机实验寻找动量不平衡的事件，这预示着暗物质粒子的逃逸；轴子实验则在强磁场中使用谐振腔。

Clinical relevance

这些搜寻是确定暗物质粒子身份的方式：一个确凿的信号将彻底改变宇宙学和粒子物理学，即使是零结果也很有价值，它们不断缩小候选粒子的允许特性范围，并将理论研究引向新的质量和耦合范围。

History

直接探测实验从20世纪80年代的小晶体发展到今天的大型液氙探测器；天基伽马射线和宇宙射线观测站追踪间接信号，对撞机增加了缺失能量的搜寻，所有这些方法迄今为止都产生了严格的限制，而不是确凿的探测结果。

Debates

异常现象的解释

一些报告的过量信号和年度调制声称被一些人解释为暗物质信号，但它们与其他零结果相冲突，使得其解释存在争议且悬而未决。

Key figures

• Gianfranco Bertone
• Dan Hooper
• Bernard Sadoulet
• Elena Aprile

Seminal works

• bertone2005

Frequently asked questions

为什么直接探测实验要建在地下深处？

宇宙射线和天然放射性会淹没极其罕见的暗物质信号，因此实验被放置在地下深处并进行重度屏蔽，以抑制背景并隔离暗物质可能引起的微弱核反冲。

暗物质曾被探测到吗？

除了引力之外，尚未证实任何相互作用：尽管直接、间接和对撞机搜寻的灵敏度不断提高，但尚未建立可重复的暗物质非引力信号，因此其粒子性质仍然未知。