主题：探索量子宇宙——粒子对撞机的任务（1） -- 邪恶本质

[SIZE=3]暗物质之光[/SIZE]

相关问题：

* 什么是暗物质？

* 我们如何在实验室制造它？

Dark, adj. 1a. Lacking or having very little light. b. Lacking brightness.8. Difficult to understand; obscure. 9. Concealed or secret; mysterious.

组成暗物质的粒子有多种候选者。当粒子物理学家意识到某种东西下的理论太复杂时，他们把它叫做“麋鹿”。作图：Michael S. Turner

过去的十年见证了惊人的发现：宇宙中百分之九十五的组分不是由普通物质所构成，而是暗物质和暗能量。天体物理学的观测表明了宇宙只有百分之四是由类似于地球上的物质所组成。百分之七十三是暗能量，百分之二十三是暗物质。

暗能量是一种神秘的充斥于虚空之内的力量，让宇宙的膨胀加速。物理学家不知道暗能量是什么、它如何作用以及它为何存在。他们只知道它最终将获得一个粒子物理学上的解释。暗能量是否和希格斯场相关？超对称的发现将提供可能的联系。超对称为希格斯场和暗能量都提供了自然的解释。

黑暗宇宙的决定性证据来自于许多资料，包括天体物理对星系团的观测——如果可见物质是把它们结合在一起的唯一物质，它们将早已分开。和银河系一样靠近家园的地方，单独的可见物质无法保持恒星在它们的轨道上运动。暗物质让宇宙结合在一起。

什么是约束星系以及保持宇宙不至于分崩离析的暗物质呢？尽管暗物质不是由和世界上其它东西一样的材料组成，物理学家依然有它的身份的一些线索。宇宙学的测量倾向于“冷”暗物质——低速运动的重粒子——作为主要组分。然而，目前来说，宇宙的黑暗面依然是一个迷。

此外，没有理由认为暗物质会比具有多种夸克和轻子的可见物质简单。新的粒子通常不会单独出现。例如，1932年正电子的发现就预示着一个新的反物质粒子的世界。现在，挑战是通过在实验室中制造暗物质粒子来探索暗物质的世界。

如果暗物质是由弱相互作用重粒子（类似于中微子的重型版本）组成，宇宙学的计算表明它们应该具有太电子伏特尺度的质量，在 LHC 和 ILC 的能量范围内。这种在太电子伏特尺度上的结合是否是一个巧合？尽管发展于不同的动机，大部分关于太电子伏特尺度物理的理论都假设了可能对暗物质有贡献的粒子。例如，一种经常被提起的暗物质候选者是最小质量超对称粒子——中性子（neutralino)，理论上处于太电子伏尺度。LHC 和 ILC 具有制造和宇宙中所存在的暗物质同样的暗物质粒子的潜力。

除了加速器实验，其余的实验正在地下深处的高灵敏度探测器中测量独立的暗物质粒子。还有，天体物理实验，正在搜寻空间中暗物质湮灭的宇宙线遗迹。然而，没有加速器实验的帮助，就没有实验能够肯定地识别暗物质。

加速器实验将能够把暗物质粒子放入词条。例如，LHC 可能在粒子碰撞中识别某种暗物质粒子。然后直线对撞机就可以集中去探测其质量和相互作用强度——取得其指纹并且做出明确的鉴定。通过对能量尺度的精细调整，直线对撞机也可以淘出可能隐藏在LHC的多数碰撞中的任何潜在的暗物质候选者。

直线对撞机上的测量将允许计算某种暗物质候选者在宇宙中的密度。与之并列，日益增长的精密的宇宙学观测将测量暗物质的密度到一个对应的精度。对撞机和宇宙学测量的符合将为该候选者真的是一种暗物质提供压倒性的证据。