主流物理界對暗物質(zhì)研究的現(xiàn)狀

主流物理界對暗物質(zhì)研究的現(xiàn)狀李小堅龔天任本文簡要介紹主流物理界對暗物質(zhì)研究和理解的現(xiàn)狀。一、引言最近關(guān)于“悟空”（DAMPE）衛(wèi)星數(shù)據(jù)的好消息，給中國科學(xué)界帶來了一次狂歡。媒體紛紛報道，其中有兩點共識：第一，暗物質(zhì)的存在是毫無疑問的，暗物質(zhì)與可見物質(zhì)的比率大約在5比1之間。第二，迄今為止沒有人知道這個問題的答案：暗物質(zhì)是什么？是的，以上這兩點基本上是正確的。暗物質(zhì)是什么？在主流物理學(xué)界沒有人知道答案！中國科學(xué)院院長白春禮，談暗物質(zhì)的視頻介紹：

暗物質(zhì)是什么？中科院院長告訴你_網(wǎng)易新聞/17/1130/11/D4G3RP0I00018AOQ.html白春禮院士介紹，這是令世界物理主流困惑不解，更是令全世界普通民眾迷惑的大問題！最終，全球科學(xué)界將通過科學(xué)的方法一一排除那些疑似暗物質(zhì)的候選者，確定{暗物質(zhì)不是什么}。的確，主流科學(xué)在{暗物質(zhì)不是什么}已經(jīng)取得許多成果。但關(guān)鍵問題是{暗物質(zhì)是什么？}，這個問題必須要有理論突破！因此，我們可以從網(wǎng)上看到全球科學(xué)界正在努力，試圖揭開這個謎底。{暗物質(zhì)不是什么}與{暗物質(zhì)是什么？}成為全球人類的熱點問題！那么，我們現(xiàn)在來看一看，國際主流物理界關(guān)于暗物質(zhì)問題的探索情況。二、主流物理界對暗物質(zhì)的認(rèn)識1.已知的暗物質(zhì)國際主流界公認(rèn)的已知的暗物質(zhì)有兩種：1）中微子，2）黑洞。然而，這兩種已知的暗物質(zhì)不能解釋全部整個暗物質(zhì)。也就是說，還有其他的物質(zhì)也扮演著暗物質(zhì)的角色。事實上，在許多天體物理調(diào)查中，這兩個已知的暗物質(zhì)只占總暗物質(zhì)的很小的百分比(小于1%），見：“2017的暗能量調(diào)查”結(jié)果。2.我們先說黑洞去年，以及今年LIGO多次發(fā)現(xiàn)雙黑洞的合并凝聚，顯示出宇宙中的黑洞密度很高，從而，似乎“黑洞暗物質(zhì)假說”又死灰復(fù)燃。

宇宙中有兩種方式產(chǎn)生黑洞。第一種，黑洞就是一顆恒星的殘余。這個恒星演變過程我們現(xiàn)在非常清楚地知道了解。我們還可以計算出每個星系中的黑洞數(shù)量。對于銀河系，它有大約300萬個黑洞，每個黑洞的平均質(zhì)量為10個太陽質(zhì)量。這300萬個黑洞中的暗物質(zhì)約占銀河系總質(zhì)量的0.001%。顯然，這一種黑洞不能成為整個宇宙暗物質(zhì)的候選者。第二種，可能有在大爆炸期間產(chǎn)生的一些原始黑洞。它們攜帶的質(zhì)量，大約可以從0.1到10億個太陽質(zhì)量不等。此外，我們不知道這些黑洞的密度。也就是說，它很有可能代表整個宇宙的暗物質(zhì)。然而，通過分析LIGO的數(shù)據(jù)，給出了否定的回答：沒有！

原始黑洞無法解釋宇宙全部的暗物質(zhì)。也就是說，一定還有其他東西扮演暗物質(zhì)的角色。參見：LIGO不硬氣：原始黑洞、暗物質(zhì)和Ia型超新星的引力透鏡效應(yīng)。（/abs/1712.02240）。3．其他暗物質(zhì)候選者，包括中微子

在主流物理學(xué)，基本上還有這兩類暗物質(zhì)候選者：1）不基于粒子的任何暗物質(zhì)，如修改引力定律（MOND）。2）以粒子為基礎(chǔ)的暗物質(zhì)候選者：一些未知的粒子，如弱互相質(zhì)量粒子WIMP（例如，無菌中微子、軸子、暗光子等）；2017年10月16日宣布的LIGO雙中子星合并，它幾乎完全排除了MOND存在的證據(jù)。參見{gw170817暗物質(zhì)仿真器（/abs/1710.06168）}。此外，我國發(fā)射的“悟空”（DAMPE）的數(shù)據(jù)，還沒有發(fā)現(xiàn)任何MOND關(guān)聯(lián)的證據(jù)。

因此，現(xiàn)在還沒有理論支持MOND的結(jié)果。那么，主流物理的重點搜索范圍放在以粒子為基礎(chǔ)的暗物質(zhì)候選者身上。三、基于粒子的暗物質(zhì)探索在此，我們將回顧主流物理所開展的基于粒子的暗物質(zhì)探索及其搜索途徑。大型強子對撞機LHC的2TeV實驗，已經(jīng)排除了所有的SUSY粒子。它也排除了大質(zhì)量弱相互作用WIMP粒子（如LUX和PANDAx，2017），這些數(shù)據(jù)的的搜索現(xiàn)在已經(jīng)非常接近中微子可能出現(xiàn)的底部。2．最新的天文數(shù)據(jù)幾乎排除了無菌中微子。而且，最新的數(shù)據(jù)也幾乎完全排除了“大爆炸核合成（BBN）”作為暗物質(zhì)。BBN的適合分析說明中微子是狄拉克費米子（沒有一個大規(guī)模的合作伙伴）。如果中微子是馬約拉納粒子（要求有一個隱藏的巨大的合作伙伴，如無菌中微子），BBN沒有符合觀測的數(shù)據(jù)。

參見：/pdf/1709.01211.pdf。

在米諾斯，米諾斯+反應(yīng)器實驗排除了惰性中微子（/abs/1710.06488）；

最近的LIGO{中子星碰撞的中微子參數(shù)空間，（/abs/1710.06370）}。排除軸子假設(shè)。

4.探測未知粒子運行所有可能躲藏的地方，排除任何大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPs）（非對稱），看到pico-60數(shù)據(jù)。5.沒有發(fā)現(xiàn)暗黑的光子

/2017/11/08/scientists-narrow-search-dark-photon-dark-matter/。“探測器中暗光子的特征是極其簡單的：一個高能光子，沒有任何其他活動?！卑岛诠庾右脖挥脕斫忉寴?biāo)準(zhǔn)模型中觀察μ介子自旋的性質(zhì)和它的預(yù)測值之間的差異。最新結(jié)果：“基于BaBar規(guī)則的這些暗黑光子理論作為G-2異常解釋，有效地關(guān)閉這個窗口?！比毡镜囊粋€實驗，類似于BaBar的升級，叫BelleII，將在明年開始運行?！白罱K，BelleII將產(chǎn)生高于BaBar統(tǒng)計的100倍的數(shù)據(jù)。”還有，2014年基本排除了以前假設(shè)的冷暗物質(zhì)(ΛCDM，CDM+)、暖暗物質(zhì)(WDM)、自相互作用暗物質(zhì)(SIDM)。這些都是廢棄、過時了的暗物質(zhì)候選者。關(guān)于基于粒子的暗物質(zhì)探索問題的更詳細(xì)文獻和數(shù)據(jù)將在附錄中列出。四、相似的實驗與理論思考“悟空”（DAMPE）實驗類似于丁肇中的阿爾法磁譜儀AMS02，但“悟空”（DAMPE）比AMS02具有更高的靈敏度和探測能力。然而，阿爾法磁譜儀AMS02的經(jīng)驗可以為“悟空”數(shù)據(jù)分析提供一些啟示。從阿爾法磁譜儀AMS02可以看到兩點（2013和2015）：1.

過量的正電子和反質(zhì)子。2.

數(shù)據(jù)的大幅度下降拐點（尤其是正電子）。然而，這些正電子過剩和大傾角被排除了由暗物質(zhì)DM衰變中產(chǎn)生的可能。

再次，反質(zhì)子過剩的阿爾法磁譜儀AMS02可以由已知的宇宙的過程解釋。

（參見https://home.cern/about/updates/2017/03/cosmic-collisions-lhcb-experiment）。

從而阿爾法磁譜儀AMS02的這種反質(zhì)子數(shù)據(jù)也排除了是暗物質(zhì)的可能。

有很多原因，排除阿爾法磁譜儀AMS02系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傾角。最重要的一點是，對于阿爾法磁譜儀AMS02發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)候選者的理論基礎(chǔ)是SUSY，現(xiàn)在已經(jīng)排除了所有2TeV的SUSY粒子。從而注定AMS02發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的機會很小很小，可以說一定會失敗！因此，雖然“悟空”發(fā)現(xiàn)了比阿爾法磁譜儀數(shù)據(jù)更高的能量（1.4TeV）數(shù)據(jù)，它將無法超越和擺脫已知的超對稱約束，除非它是基于一個新的非超對稱物的候選者的理論。也就是說，即使“悟空”最新發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)突出點完成統(tǒng)計學(xué)分析和確認(rèn)，我們?nèi)匀恍枰碌睦碚搧斫忉屵@種異常性態(tài)要求。其中一個例子就是費米神秘伽瑪射線信號，它們在暗物質(zhì)湮滅的源頭基本上被排除了，發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星是這個神秘伽瑪射線信號源。參見：“在銀河內(nèi)部解決γ射線點源的證據(jù)?！保?016年2月3日，參見/abs/1506.05124）。五、最后的理論檢驗當(dāng)我們祝賀“悟空”取得的成就，我們必須敦促中國理論物理學(xué)家繼續(xù)努力，加班加點找出一個新的理論基礎(chǔ)，而不是用SUSY來解釋這一新的發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在，這個宇宙的組成現(xiàn)在已經(jīng)被黑暗能量調(diào)查和普朗克CMB（2013和2015）數(shù)據(jù)所確定（見上、下圖）。

也就是說，新的暗物質(zhì)理論必須得出這個客觀觀測結(jié)論，這是對任何新的暗物質(zhì)理論的最后檢驗。六、結(jié)束語無論什么樣的暗物質(zhì)理論，必須滿足與這個宇宙的客觀觀測數(shù)據(jù)相匹配。這是檢驗這個科學(xué)理論的試金石。悟空衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀AMS02和未來其他科學(xué)探測儀器所發(fā)現(xiàn)的這個宇宙世界的暗物質(zhì)、暗能量、宇宙學(xué)常數(shù)、粒子精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)等客觀數(shù)據(jù)，將進一步推動人類對這個宇宙的認(rèn)識走向更加深入透徹，甚至是徹底革命性的更新。二十一世紀(jì)物理世界上空的兩朵暗云必將煙消云散。附1：于2016年8月6日在人民大會堂，我與原全國青聯(lián)朋友中國科學(xué)院院長書記白春禮院士有過一個簡短交談，我告訴了他我們有了重要成果，并寫上了我們的網(wǎng)址：，我要他關(guān)注。我還告訴他我們曾在全國青聯(lián)科學(xué)組，我們青聯(lián)朋友一起開過很多次會。

8月6日

我與原全國青聯(lián)朋友中國科學(xué)院院長書記白春禮院士交流附2：附錄國外暗物質(zhì)粒子探測參考資料

Appendix:*ExclusionsfromtheLHC.

/abs/1709.02304

and/abs/1510.01516*ExclusionsfromXenon-100

/abs/1709.02222*ExclusionsofCharmingDarkMattertheories.

/abs/1709.01930*TheodorusMariaNieuwenhuizen“Subjectingdarkmattercandidatestotheclustertest”(October3,2017,see

/abs/1710.01375

):Galaxyclusters,employedbyZwickytodemonstratetheexistenceofdarkmatter,posenewstringenttests.Ifmergingclustersdemonstratethatdarkmatterisself-interactingwithcrosssectionσ/m～2cm2/gr,MACHOs,primordialblackholesandlightaxionsthatbuildMACHOsareruledoutasclusterdarkmatter.RecentstronglensingandX-raygasdataofthequiterelaxedandquitesphericalclusterA1835allowtotestthecasesofdarkmatterwithMaxwell-Boltzmann,Bose-EinsteinandFermi-Diracdistribution,nexttoNavarro-Frenck-Whiteprofiles.Fitstoalltheseprofilesareformallyrejectedatover5σ,exceptinthefermionicsituation.Theinterpretationintermsof(nearly)Diracneutrinoswithmassof1.61+0.19?0.30eV/c2isconsistentwithresultsontheclusterA1689,withtheWMAP,PlanckandDESdarkmatterfractionsandwiththenondetectionofneutrinolessdoubleβ-decay.Thecasewillbetestedinthe2018KATRINexperiment.Avarietyofsearchesforsterileneutrinoshavealsoruledoutthispossibilityintherelevantmassrange.See,e.g.,

/abs/1710.06488

and/article/10.1088/1742-6596/718/3/032008/pdf*ExclusionsforAxionDarkMatter:RenéeHlozek,DavidJ.E.Marsh,DanielGrin“UsingtheFullPoweroftheCosmicMicrowaveBackgroundtoProbeAxionDarkMatter”(August18,2017,see

/abs/1708.05681

).*Combineddirectdarkmatterdetectionexclusions./abs/1708.04630

and

/abs/1707.01632*Exclusionsbasedonnon-detectionofannihilationsindwarfgalaxies./abs/1708.04858*Primordialblackholeexclusions.

/abs/1301.4984*DanieleGaggero,etal.,“SearchingforPrimordialBlackHolesintheradioandX-raysky”(see

/abs/1612.00457

).Abstract:WemodeltheaccretionofgasontoapopulationofmassiveprimordialblackholesintheMilkyWay,andcomparethepredictedradioandX-rayemissionwithobservationaldata.Weshowthatunderconservativeassumptionsontheaccretionprocess,thepossibilitythatO(10)M⊙primordialblackholescanaccountforallofthedarkmatterintheMilkyWayisexcludedat4σbyacomparisonwiththeVLAradiocatalogat1.4GHz,andatmorethan5σbyacomparisonwiththeNuSTARX-raycatalog(10–40keV).WealsoproposeanewstrategytoidentifysuchapopulationofprimordialblackholeswithmoresensitivefutureradioandX-raysurveys.*TightWarmDarkMatterparameterexclusions,/pdf/1704.01832.pdf*MoreWarmDarkMatterparametersexclusions:SimonBirrer,AdamAmara,andAlexandreRefregier,“LensingsubstructurequantificationinRXJ1131-1231:A2keVlowerboundondarkmatterthermalrelictmass”(January31,2017,see/abs/1702.00009

).WestudythesubstructurecontentofthestronggravitationallensRXJ1131-1231throughaforwardmodellingapproachthatreliesongeneratinganextensivesuiteofrealisticsimulations.Thestatisticsofthesubstructurepopulationofhalosdependsonthepropertiesofdarkmatter.Weuseamergertreeprescriptionthatallowsustostochasticallygeneratesubstructurepopulationswhosepropertiesdependonthedarkmatterparticlemass.Thesesynthetichalosarethenusedaslensestoproducerealisticmockimagesthathavethesamefeatures,e.g.luminousarcs,quasarpositions,instrumentalnoiseandPSF,asthedata.Byanalyzingthedataandthesimulationsinthesameway,weareabletoconstrainmodelsofdarkmatterstatisticallyusingApproximateBayesianComputing(ABC)techniques.Thismethodreliesonconstructingsummarystatisticsanddistancemeasuresthataresensitivetothesignalbeingtargeted.WefindthatusingtheHSTdatafor\RXJweareabletoruleoutawarmdarkmatterthermalrelictmassbelow2keVatthe2sigmaconfidencelevel.*PaoloSalucciandNicolaTurini,“EvidencesforCollisionalDarkMatterInGalaxies?”(July4,2017,see

/abs/1707.01059

).Abstract:Themorewegodeepintotheknowledgeofthedarkcomponentwhichembedsthestellarcomponentofgalaxies,themorewerealizetheprofoundinterconnectionbetweenthem.Weshowthatthescalinglawsamongthestructuralpropertiesofthedarkandluminousmatteringalaxiesaretoocomplextoderivefromtwoinertcomponentsthatjustsharethesamegravitationalfield.Inthispaperwereviewthe30yearsoldparadigmofcollisionlessdarkmatteringalaxies.WefoundthattheirdynamicalpropertiesshowstrongindicationsthatthedarkandluminouscomponentshaveinteractedinamoredirectwayoveraHubbleTime.TheproofsforthisarethepresenceofcentralcoredregionswithconstantDMdensityinwhichtheirsizeisrelatedwiththedisklengthscales.MoreoverwefindthatthequantityρDM(r,L,RD)ρ?(r,L,RD)shows,inallobjects,peculiaritiesveryhardlyexplainedinacollisionlessDMscenario.*Darkmatterdistributionshavetocloselytrackbaryondistributions,eventhoughthereisnoviablemechanismtodoso:EdovanUitert,etal.,“HaloellipticityofGAMAgalaxygroupsfromKiDSweaklensing”(October13,2016,see/abs/1610.04226

).*OneofthemoresuccessfulrecenteffortstoreproducethebaryonicTully-FischerrelationwithCDMmodelsisL.V.Sales,etal.,“Thelow-massendofthebaryonicTully-Fisherrelation”(February5,2016,see/abs/1602.02155

).Itexplains:[T]heliteratureislitteredwithfailedattemptstoreproducetheTully-Fisherrelationinacolddarkmatter-dominateduniverse.Directgalaxyformationsimulations,forexample,haveformanyyearsconsistentlyproducedgalaxiessomassiveandcompactthattheirrotationcurvesweresteeplydecliningand,generally,apoormatchtoobservation.Evensemi-analyticmodels,wheregalaxymassesandsizescanbeadjustedtomatchobservation,havehaddifficultyreproducingtheTully-Fisherrelation,typicallypredictingvelocitiesatgivenmassthataresignificantlyhigherthanobservedunlesssomewhatarbitraryadjustmentsaremadetotheresponseofthedarkhalo.ThepapermanagestosimulatetheTully-Fisherrelationonlywithamodelthathassixteenparameterscarefully“calibratedtomatchtheobservedgalaxystellarmassfunctionandthesizesofgalaxiesatz=0”and“chosentoresemblethesurroundingsoftheLocalGroupofGalaxies”,however,andstillstrugglestoreproducetheoneparameterfitsoftheMONDtoy-modelfromthreedecadesago.Anydatasetcanbedescribedbyalmostanymodelsolongasithasenoughadjustableparameters.*Darkmattercan’texplainbulgeformationingalaxies:AlysonM.Brooks,CharlotteR.Christensen,“BulgeFormationviaMergersinCosmologicalSimulations”(12Nov2015,see

/abs/1511.04095

).WealsodemonstratethatitisverydifficultforcurrentstellarfeedbackmodelstoreproducethesmallbulgesobservedinmoremassivediskgalaxiesliketheMilkyWay.Wearguethatfeedbackmodelsneedtobeimproved,oranadditionalsourceoffeedbacksuchasAGNisnecessarytogeneratetherequiredoutflows.*Baryoneffectscan’tsavecolddarkmattermodels./abs/1706.03324*Colddarkmattermodelsdon’texplaintheastronomydata./pdf/1305.7452v2.pdfEvidencethatColdDarkMatter(ΛCDM),CDM+baryonsanditsproposedtailoredcuresdonotworkingalaxiesisstaggering,andtheCDMwimps(DMparticlesheavierthan1GeV)arestronglydisfavouredcombiningtheorywithgalaxyastronomicalobservations.*Asof2014,areviewarticleruledoutprettymuchallcolddarkmattermodelsexcept“warmdarkmatter”(WDM)(atakeVscalemassthatisatthebottomoftherangepermittedbythelamdaCDMmodel)and“self-interactingdarkmatter”(SIDM)(whichescapesproblemsthatotherwiseplaguecolddarkmattermodelswithafifthforcethatonlyactsbetweendarkmatterparticlesrequiringatleastabeyondtheStandardModelfermionandabeyondtheStandardModelforcecarriedbyanewmassivebosonwithamassontheorderof1-100MeV).AlysonBrooks,“Re-ExaminingAstrophysicalConstraintsontheDarkMatterModel”(July28,2014,see

/abs/1407.7544

).Asothermorerecentlinkscitedherenote,collisionlessWDMandprettymuchallSIDMmodelshavesincebeenruledout.*Proposedwarmdarkmatterannihilationsignalsalsoturnedouttobefalsealarms.

/abs/1408.1699

and

/abs/1408.4115

.*Theboundsontheminimumdarkmattermeanlifetimeof3.57×10^24seconds.Thisisroughly10^17years.Bycomparisontheageoftheuniverseisroughly1.38x10^9years.Thismeansthatdarkmatter(ifitexists)isatleastasstableasanythingotherthanaproton,whichhasanexperimentallydeterminedmeanlifetimeofatleast10^33years./abs/1504.01195

.Thismeansthatalldarkmattercandidatesthatarenotperfectlystableoratleastmetastableareruledout.Decayingdarkmatteranddarkmatterwithanysignificantannihilationcrosssectionareinconsistentwithobservation.*TorstenBringmann,etal.,“Strongconstraintsonself-interactingdarkmatterwithlightmediators”(December2,2016,see

/abs/1612.00845).Abstract:Couplingdarkmattertolightnewparticlesisanattractivewaytocombinethermalproductionwithstrongvelocity-dependentself-interactions.HerewepointoutthatinsuchmodelsthedarkmatterannihilationrateisgenericallyenhancedbytheSommerfeldeffect,andwederivetheresultingconstraintsfromtheCosmicMicrowaveBackgroundandotherindirectdetectionprobes.Forthefrequentlystudiedcaseofs-waveannihilationtheseconstraintsexcludetheentireparameterspacewheretheself-interactionsarelargeenoughtoaddressthesmall-scaleproblemsofstructureformation.Theconclusionofthepapernotesthat:ModelsofDMwithvelocity-dependentself-interactionshaverecentlyreceivedagreatdealofattentionfortheirpotentialtoproduceanumberofinterestingeffectsonastrophysicalscales.WehaveshowninthisLetterthatthesemodelsfaceverystrongconstraintsfromtheCMBandDMindirectdetection.Inthemostnaturalrealizationofthisscenariowithalightvectormediatorwithkineticmixing,theseconstraintsruleouttheentireparameterspacewheretheself-scatteringcrosssectioncanberelevantforastrophysicalsystems.Theseboundsremainhighlyrelevantforanumberofgeneralizationsofthescenario,suchasadifferentdarksectortemperatureanddifferentmediatorbranchingratios.Clearly,futureeffortstodevelopparticlephysicsmodelsforSIDMneedtoaddresstheseissuesinordertoarriveatmodelsthatprovideapictureconsistentwithallobservationsincosmology,astrophysicsandparticlephysics.*Darkphotonparameterspace(thecarrierbosonoftheSIDMmodels)isalsotightlyconstrainedandallbutruledout.Yet,thepropertiesadarkphotonhastohave,ifthereisone,aretightlyexperimentallyestablishedbaseduponclusterdynamics.

/abs/1504.06576

.*TheBulletClusterisahugeproblemforDM.JounghunLee,EiichiroKomatsu,“BulletCluster:AChallengetoLCDMCosmology”(May22,2010,see/abs/1003.0939

).LaterpublishedinAstrophysicalJournal718(2010)60-65.Abstract:Toquantifyhowrarethebullet-cluster-likehigh-velocitymergingsystemsareinthestandardLCDMcosmology,weusealarge-volume27(Gpc/h)^3MICEsimulationtocalculatethedistributionofinfallvelocitiesofsubclustersaroundmassivemainclusters.Theinfall-velocitydistributionisgivenat(1-3)R_{200}ofthemaincluster(whereR_{200}issimilartothevirialradius),andthusitgivesthedistributionofrealisticinitialvelocitiesofsubclustersjustbeforecollision.Thesevelocitiescanbecomparedwiththeinitialvelocitiesusedbythenon-cosmologicalhydrodynamicalsimulationsof1E0657-56intheliterature.ThelatestparametersearchcarriedoutrecentlybyMastropietroandBurkertshowedthattheinitialvelocityof3000km/satabout2R_{200}isrequiredtoexplaintheo