科创中国

问题背景：

近百年的天文观测显示，宇宙中存在着大量的、看不见摸不着的暗物质，它们比普通的可见物质多五倍以上。在银河系里，暗物质形成一个巨大的晕，将银盘包围起来，使得恒星绕银心的转动速度远超预期。如果没有暗物质，银河系将会分崩离析。暗物质到底是什么？它是否像普通物质一样，是一种新的基本粒子？如何通过实验来探测到这样的粒子？与暗能量一起，暗物质的属性是物理和天文学家公认的21世纪最重要的科学谜团，其挑战性类似于100年前被称为20世纪初物理学中的两朵“乌云”，很有可能孕育出新的物理学重大发现。

近年来，美国和欧洲科学界纷纷布局，提出自己的路线图，期望在暗物质探测问题上抢先取得突破，做出奠基性的贡献。中国科学界对暗物质研究的重要性也有了共识。中国科学院在2009年发布的“创新2050：科学技术和中国未来”战略研究系列报告中提出可能出现革命性突破的4个基本科学问题：暗物质、暗能量被列为第一。报告指出，“揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。为此，需投资建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置，以取得第一手实验数据，在国际竞争中处于主导地位。”

关键突破点：

暗物质粒子探测和相互作用研究目前主要有三种方法。（1）直接探测。通过建造一个超级灵敏的探测器，放于很深的地下（屏蔽宇宙线），太阳轨道附近的暗物质粒子流与探测器碰撞会产生可观测的信号。该方法需要一个体量很大但本底很低的探测器。（2）间接探测。大量暗物质粒子在银河系中心会有一定的概率湮灭成为可见物质，这些额外的物质可通过空间或地球上的高能粒子探测器探测到。但确定这些信号的来源比较困难，必须对银河系中的天体物理过程有比较详细的了解。（3）暗物质在高能加速器的产生。这是当前世界上最高能量加速器LHC上最重要的研究课题之一。

在过去10年里，国际上暗物质探测方面的进展迅速，中国团队也奋起直追，已经达到国际水平。在直接探测方面，美国LUX与CDMS合作组以及欧洲XENON合作组，在大质量与轻质量暗物质探测方面均取得过最好灵敏度的探测。在中国锦屏地下实验室，PandaX合作组在2016、2017年连续取得大质量暗物质的国际最好探测结果；CDEX合作组在轻质量暗物质探测方面也有重要进展。在空间探测方面，丁肇中先生带领的AMS-2合作组在高能正电子谱探测方面取得重要成果；我国悟空卫星上的DAMPE探测器对电子正电子谱的测量也发现了重要的异常现象，引起科学界的高度关注。

目前，美国LZ合作组和XENON合作组正在研制7吨级的液氙探测实验，CDMS也在研制百公斤级的半导体探测器。中国PandaX合作组正在研制一个相当规模的液氙实验，争取在DAMPE电子谱看到的1.4TeV暗物质疑似区，将灵敏度迅速提升1~2个数量级，寻求直接验证。我国CDEX合作组也在研制百公斤级的高纯锗实验。在今后3~5年，中国科学家团队将持续实现与国际最高水平的并跑。

一个能对暗物质粒子属性做出决定性判断的终级探测实验是一个百吨级的液氙实验和吨级的半导体探测实验。这是一个国际大科学计划，能在今后5-10年内实现。在该水平上，必须联合国际上500800名暗物质探测科学家，将经费、队伍和经验聚集在一起，找到一个环境最优秀的实验室开展工作。中国的锦屏极深地下实验室提供这些条件。中国的暗物质科学家有经验、也有能力来牵头开展这样一个国际大科学计划。

在实现终级直接探测的同时，迅速开展卫星暗物质探测DAMPE的二期工作，将电子能谱探测统计量提高1个数量级以上。这些工作也能在5-10年内完成。

战略意义：

暗物质粒子一旦被发现，将成为人类科学史上具有划时代意义的一项重大成就，对粒子物理与天体物理的发展产生巨大影响。 暗物质粒子的存在以及与普通物质的相互作用将表明粒子物理的标准模型不完备，为新物理指明方向。在新物理理论中，暗物质很可能与基本粒子质量的起源有关，也可能与几种基本相互作用的统一有关。

暗物质研究是一个跨世纪的项目，实验上探测到暗物质仅仅是第一步。接下来，物理学家需要研究暗物质的种类、质量、内禀量子数及相互作用等。一旦暗物质的相互作用被测量，我们将可以精确计算暗物质在星系和宇宙中的分布和演化的动力学过程，这对天文学有非常重要的影响。

暗物质探测需要研究最灵敏的探测器。这些探测器技术对于其它方面的应用将可能产生重大影响。如：液氙探测器在医学探测上有重要应用；高纯锗探测器的研发将大大降低成本，提升其在核探测、核监控领域的实际应用价值。我国科学家牵头开展这些研究将对实现相关高精尖技术的国产化起到重要的推动作用。