暗物質 失落的宇宙：介於「存在」與「不存在」之間，一本書讀懂21世紀最重大的天文學難題

暗物質──被譽為21世紀的首席物理學難題
數十年來，人們殫精竭慮研究，卻依然對它所知甚少……
暗物質既看不見、也觀測不到，科學家又憑什麼說它存在？

▏暗物質是什麼？　
有一類物質暗藏在宇宙中，既不發光、也不吸收、反射或折射光，不僅在沒有光的黑暗中看不到，在有光線的環境中也完全透明，同樣看不到。
這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質，就被稱為暗物質。

▏暗物質如何被發現？
1933年，天文學家費里茨·茲威基（Fritz Zwicky）驚奇地發現：大型星系團內的星系，具有極高、又難以理解的運動速度，單靠我們所觀測到的星系團引力作用，根本不可能束縛這些星系在星系團內的高速運動──除非在星系團中，還有「看不見」的物質產生了強大的引力。

此後，天文學家透過測量螺旋星系的旋轉速度、觀測重力透鏡、大尺度宇宙結構形狀，以及微波背景輻射等研究中的「奇特」現象，大膽猜想：宇宙中可能暗藏有大量「看不見」、卻又能透過引力作用被感知的暗物質，而且所占比例很大（據計算，約占整個宇宙物質總量的85%）。

▏暗物質真面目的頭號嫌疑人：WIMP粒子
WIMP粒子，即大質量弱相互作用粒子（Week Interaction Massive Particle），是一種和普通粒子有弱交互作用、質量較大的假想粒子。

對WIMP性質的猜想可歸納為以下幾點：
（一）WIMP的質量可能比普通粒子（如質子、中子等）的質量大很多
（二）WIMP不帶電，沒有電磁作用，也沒有像普通核子之間的強交互作用，幾乎與普通物質粒子不發生交互作用
（三）即使WIMP與普通物質粒子發生交互作用，也是很弱的作用──可能是標準模型中的弱力，也可能是我們還不了解的另類弱力；另外，理論認為WIMP產生於宇宙初始階段，有較大的質量，在宇宙中運動的速度緩慢，有可能聚集成團

▏基本模型的困惑：WIMP粒子與「超對稱粒子」
基本粒子能被分為自旋為整數的玻色子（Boson），與自旋為半整數的費米子（Fermion），而將這兩類粒子連繫起來的理論，就被稱為超對稱理論（SUSY）。

遺憾的是，多年來這種理論所預言的那麼多超對稱粒子，人們不禁要問：它們會不會是暗物質粒子呢？

WIMP粒子是基本粒子嗎？
WIMP粒子本身之間有什麼樣的作用？
WIMP粒子與普通物質粒子之間，除了引力之外還有其他交互作用嗎？
如果有作用，是基本交互作用中的某一種呢，還是存在其他作用？

▏如何探測WIMP粒子？
探測暗物質粒子WIMP的有兩種方案：
◎間接探測
間接探測方法，是基於暗物質粒子WIMP粒子和它的反粒子之間有可能發生湮滅的假設。透過探測WIMP粒子和它的反粒子湮滅後，生成一對能量相同的兩個正負電子、一對能量相同的伽馬射線、正反質子、正反微中子等，來探知WIMP。

◎直接探測
雖然將探測器安置在對撞機附近很容易實現，但也有很大的困難，例如普通粒子對撞產生WIMP的機率極小，千百萬次碰撞才可能產生一次、碰撞中同時會產生大量普通粒子，意味著要在大量普通粒子的背景中尋找WIMP等等。

▏讓本書帶領你，尋找宇宙過去與未來的終極解答
本書旨在向讀者深入淺出、圖文並茂介紹有關「暗物質」的基本知識，了解暗物質的來由，並從實驗的角度出發，討論探測暗物質的原理。
本書，就是你暗物質旅程的第一站。

作者簡介：

李金， BES國際合作發言人，曾以訪問學者或客座教授身分在美國、日本、英國、法國等從事高能物理研究。五十多年來從事核反應研究；核爆炸輻射測量；核探測技術研究；高能粒子對撞機譜儀BES的研發、建造和升級；正負電子對撞物理實驗研究。近二十年從事微中子和暗物質實驗等前沿課題研究，曾發表科學論文和科普文章三百餘篇。