暗物质踪迹难寻，他们在聊天中想到新方法
△ 宇宙线加速的暗物质直接探测信号随恒星时的变化
暗物质号称“宇宙幽灵”。宇宙由5%的普通物质，25%的暗物质和70%的暗能量构成。但是暗物质来无影去无踪，我们看不见、摸不着、测不到。
为了捕获暗物质，自上世纪80年代以来，国际国内的科学家们使出了浑身解数。袁强也是“捕手”之一，他找暗物质已经有10年时间。“去年春节期间，我和上海交大的同行们交流。在电话上，我们聊起了究竟有没有办法能提高暗物质探测器的灵敏度。”就这样，“最强大脑”们灵感碰撞出了意想不到的新点子。
近年来有学者注意到，星系中有大量的宇宙射线粒子，它们可以像踢皮球一样让暗物质获得加速。这样的话哪怕是“特别瘦”的暗物质，也能够在探测器中留下可观的信号。
遗憾的是，目前的暗物质探测器分辨不了方向，没办法知道某个事例是来自银河系中心还是其它方向。
巧妙的是，地球的自转不经意间“帮了一个大忙”。袁强他们发现，随着地球的自转，不同方向的暗物质粒子穿越地球的厚度会呈现周日（恒星日）变化，导致暗物质粒子打到探测器上的概率产生周日变化，形成一个周日调制现象。
恒星日是什么？袁强解释称，我们日常生活中所指的一天为24小时，是以太阳作为参照，地球自转一周所花的时间，即一个太阳日。而以遥远的恒星为参考系，地球自转一周的时间为23小时56分4秒，称为一个恒星日。
已投入实际应用，期待着新发现
△ 三种探测暗物质粒子的原理示意图
如果暗物质打到了探测器上，会发出怎么样的信号？袁强说，探测器里的原子核被碰撞后会产生电离、发光、或者振动。
“虽然测不了方向，但通过新周日调制效应，我们可以预期某一时间段内打到探测器上的暗物质数量。”袁强打了个比方，“阴天的时候，我们不知道太阳在哪里，但是我们知道有白天和黑夜的差别。实际上，这也是因为地球把太阳光挡住了。”
袁强表示，新周日调制效应的发现为探测低质量暗物质提供了一种独特信号特征，可以帮助更好地区分信号和背景，在不改变探测器配置的情况下只通过分析方法的改进便可以提高低质量暗物质的探测灵敏度，拓宽了暗物质探测的参数空间。
位于四川的锦屏地下实验室是目前世界上最深的地下实验室，垂直岩石覆盖达2400米，为暗物质探测提供了得天独厚的良好环境。袁强介绍，目前新周日调制效应已经应用于锦屏实验室的“熊猫”实验数据分析中。“我们用实验室采集到的数据，按照它们发生的时间，一一进行分析，看看有没有符合新周日调制效应的信号。”
“悟空”遨游太空五年多，工作状态正常
长久以来，寻找暗物质一直是科学界的重要目标。2015年12月17日，“悟空”号暗物质粒子探测卫星成功发射升空。2016年3月17日，卫星交付用户单位——中科院紫金山天文台，自此“悟空”号正式投入科学观测。
“悟空”号每天自动进行巡天观测，在经过中国上空时，会传回每天的体检数据，即工程参数，包括电压、电流、温度、姿态等以及科学观测数据。数据送到紫金山天文台，经过处理以后，科学家利用这些数据进行科学研究。
2020年12月17日，“悟空”号度过了它五周岁生日。截至这一天，“悟空”号已在轨运行1827天，绕地球飞行27822圈，完成全天区扫描10遍，探测宇宙射线粒子93.6亿个。就在“悟空”号五周岁前夕，国家空间科学中心组织专家论证评审，鉴于卫星运行情况良好，决定其再次延期“服役”1年。“悟空”号原定工作期限3年，此次已是它第二次“延寿”。
目前，“悟空”号状态如何？将来还会不会再次“延寿”？“探测器目前仍然保持良好的工作状态。”袁强说，他们会实时检测“悟空”号的状态。“到今年年底的时候我们会再次进行评估，决定是否继续延寿。”
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暗物质怎么找？上天、入地和人造
△ PandaX-4T实验
如何抓住暗物质这个“隐形的幽灵”？袁强介绍，目前主要有三种方法。
1、直接探测实验。该方法直接探测来自宇宙空间的暗物质粒子和普通物质碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小，产生的信号很微弱，通常需要把探测器放置在很深的地下以屏蔽宇宙射线本底。
在四川锦屏地下实验室运行有PandaX和CDEX两个直接探测实验。袁强介绍，国际上对暗物质的直接探测实验已开展了三十余年，但目前为止还没有明确的信号被探测到。
2、间接探测实验。该方法探测暗物质粒子湮灭或衰变产生的普通粒子。为了减少地球大气层的干扰，实验通常在太空进行，如“悟空”号暗物质粒子探测卫星。间接探测暗物质实验也有近三十年的历史。
3、对撞机探测实验。该实验希望通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子。欧洲的大型强子对撞机是目前最高能量的粒子对撞机，也是探测暗物质粒子最佳的对撞设备。我国也有北京正负电子对撞机可以开展类似研究。
（受访者供图）
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