直接探测实验
1. DAMA 实验找到年调制效应
DAMA 实验可以说是最早宣称看到WIMP 迹象的实验。最初的DAMA/NaI 实验从1996 年运行到2002 年，是一个100kg 的闪烁体NaI 晶体阵列，后来的DAMA/LIBRA 实验是250kg 的闪烁体NaI 晶体阵列。首次结果于2008 年报道，并且给出了WIMP 的质量及其与普通粒子（即质子）相互作用的截面。该实验是依据年调制效应来探测暗物质粒子的实验。前面第2 章里讲到了年调制效应，这里再简要谈谈。WIMP 比较均匀地弥漫在银河系中。太阳在银河系中转动，转动速度是232km/s ； 地球又围绕太阳转动，转动速度为30km/s，一年转一圈。则地球相对WIMP 的速度是太阳的速度加上地球相对太阳的速度（见图4.2.1）： 12 月份为（232 -30）km/s，6 月份为（232 + 30）km/s。因此，地球上探测器相对WIMP 的运动速度有周期性变化。这一变化造成WIMP 和探测器的普通原子核的反冲事例数目也有周期性变化。
图4.2.1 地球上探测器的运动速度相对WIMP 有周期性变化
DAMA 实验测量了核反冲能量在2~6keV 的事例随日期的周期变化。 夏天测量到的事例多，而冬天测量到的事例少。后来DAMA/NaI 升级为DAMA/LIBRA，探测器性能有了不少改进，也积累了更多的数据，DAMA 的科学家们对数据又做了更加细节的分析；分别对2~4,2~5 和2~6keV 区段的核反冲能量处理得到统计涨落更小的年调制效应。
图4.2.2 所示为DAMA2008 年发表的年调制效应实验的一个测量结果（核反冲能量2~6keV）。图中横坐标为时间，纵坐标为事例率。可以很明显地看出，事例率随时间的周期性变化，而且夏天事例率高，冬天低，与理论预期符合得很好。依据该年调制效应，DAMA 实验组将WIMP 的质量确认为几十GeV 左右，截面为10-41~10-40cm²。
除了认为“WIMP 比较均匀地弥漫在银河系中”外，这类实验基本上不再有更多的理论假设，基本属于不依赖理论模型的实验。但是，一定不能有造成调制效应的任何其他因素发生。对于DAMA 组的实验结论，人们提出不少异议，因为造成调制效应的因素很多，温度、湿度、宇宙线强度等，都有可能造成事例率随时间的周期性变化，是否将这些影响都扣除得干干净净？ 是否还有其他造成调制效应的因素没有被考虑到？尽管DAMA 组相信他们自己的结果，但该结果还没有完全被大家接受，还需要更多的实验证实，特别需要其他测量年调制效应的实验来支持。
图4.2.2 DAMA 实验测量到的年调制效应
2. CoGeNT（Ge）实验发现能谱异常
CoGeNT（Ge）实验是另一个认为观察到WIMP 的实验组。它位于美国明尼苏达的苏丹地下实验室（Soudan Underground Laboratory， SUL），深度为2090MWE（相当于2090 米的水）。CoGeNT 实验由一台440 克的P 型点接触高纯锗探测器（P-type point contact，PPC）。第2 章里讲到了这种探测器探测WIMP 的基本原理。测量WIMP 与Ge 原子核发生碰撞，其反冲核的部分能量沉积在高纯锗探测器中。 通过对探测器所测能谱进行分析，获得WIMP 的信息。不过实验测量到的能谱中， 除WIMP 能谱以外一定还包括其他各种本底粒子及辐射在探测器中沉积的本底能谱。 只有把能谱中可能的各种本底都扣除之后还留有一些无法扣除的事例超出，才有理由认为是WIMP 的事例。然后由超出事例的能谱分布推测出暗物质粒子WIMP 的质量及其与普通的核散射的截面。
在一般的能谱测量中，本底的分布可以通过实验或模拟得到。本实验中，一方面，依据本底伽马或其他辐射的来源，模拟计算得到反冲电子的能谱。另一方面，WIMP 粒子的反冲核的能谱可以通过理论模型计算出来。图4.2.3（a）中给出了基于某种理论的WIMP 事例能谱分布（图中红实线）和实验得到的本底事例的能谱分布（图中蓝色虚线）。可见， 两种事例的能谱形状有一定的差别，WIMP 事例随能量的增加下降很快，而本底事例变化平缓。实际测量到的能谱是两者之叠加。虽然我们可以依据能谱形状的不同来分析和判别有无WIMP 事例或WIMP 事例的多少，但是，如果本底远高于WIMP 事例（如图4.2.3（b）所示，图中蓝线为本底、红线为WIMP 事例），就无法判断有无WIMP 事例了。 必须从实验的角度设法降低本底，至少下降到和WIMP 事例差不多的水平才行。另外，由于事例的统计涨落很大，给能谱分析带来更大的困难和不确定性。
图4.2.3 本底能谱和WIMP 事例能谱的两种情况
图4.2.4 为CoGeNT 实验测量到的反冲核的能谱分布。在0~3keV 能区中的一很尖锐的1.3keV 单能峰是锗探测器内部的宇生放射性（Ge68X 射线特征峰），如果将1.3keV 单能峰（图中蓝色虚线）扣除后就是连续的本底谱了。图中的红色曲线是假设WIMP 的质量和截面后计算出的能谱分布，似乎与实验符合得比较好。可能是WIMP 存在的迹象。 由此推断出的WIMP 与Ge 原子核中质子的弹性碰撞截面和WIMP 质量分别为：σ = 6.7×10-41cm2 和M = 9 GeV/C2。
很显然，这与本底事例扣除有很大关系。如果扣除不彻底，就会误将本底事例当成WIMP 事例。
图4.2.4 CoGeNT 实验测量到的反冲核的能谱
和DAMA 实验一样，CoGeNT 也观察了本底事例随时间的变化，即所谓的年调制效应。结果表明有WIMP 存在的迹象，但涨落很大，置信水平很低，很难让人信服。
3. CDMS 组发现两个可能的事例
CDMS 实验是同时测量反冲核电离信号和热信号的实验。该实验可以对每个事例进行分析，通过对单个事例的特征从本底事例中辨认出WIMP 信号。在总能量相同的情况下，核反冲的电离能要比电子反冲的电离能小很多，这在总能量和电离能的两维坐标图中看得十分清楚（见图4.2.5）。图中的横坐标为事例的总能量，纵坐标为电离能，图中的每个点代表一个测量到的事例。图4.2.5 为分别用伽马射线放射源和中子源预先得到的实验结果。伽马射线放射源入射到探测器得到纯的电子反冲事例，中子源入射到探测器得到纯的核反冲事例。很明显，伽马放射线造成的电子反冲本底事例都在图中的蓝色区域，中子形成的反冲核事例都在绿色区域。
图4.2.5 蓝色电子本底与绿色核反冲事例
我们知道，WIMP 事例为核反冲事例，也一定在绿色区域。如果我们在实验测量中发现有些事例是在绿色区域，就很可能是WIMP 的核反冲事例。
图4.2.6 为CDMS 在美国苏丹地下实验室经过严格分析后的实验数据。在产额和时间两参数的坐标中，上部是伽马本底的电子反冲事例，下部是核反冲事例。不难看出，有两个事例落在下面的核反冲区域，极可能是WIMP 的核反冲事例。由这两个事例可以推断出WIMP 的质量和弹性碰撞截面。
图4.2.6 有两事例位于核反冲区域
2009 年，CDMSⅡ发表了他们的实验结果，声称发现两个WIMP 事例，反冲能量分别为12.3keV 和15.5keV，是暗物质粒子事例的置信度为70%。由此推论出，WIMP 和普通核的弹性碰撞截面为7.7×10-44cm2,WIMP 的质量大约为70GeV/C2。不过对本底的分析表明， 本底事例在0.8~1.0 之间，这就很难确定到底有多大的概率保证这两个事例是WIMP 了。
4. CRESST 发现不少难以解释的事例
CRESST Ⅱ实验装置位于意大利的格兰萨索国家实验室，深度为大约1500m。该实验的原理和CDMS 类似，可以通过单个事例的特征从本底事例中辨认出WIMP 信号。
探测器是由八块CaWO4 晶体组成的装置，每块晶体质量约300g， 在约10mK 的温度下工作。每块晶体有两路信号输出，分别为温度变化和闪烁光。既可以得到反冲核的能量又能测量反冲核的电离大小。其工作原理前面已经讲过，不再重复。
实验通过闪烁光和温度变化来区分电子反冲和核反冲事例。虽然绝大部分来自放射性的本底产生的是电子反冲，在分析了各种本底来源之后，仍然有一些难以解释的事例，似乎看到WIMP 与核反冲的事例，并以此估计出可能的WIMP 质量和与质子碰撞的截面。2011 年，CRESST 给出物理结果，表明有两个可能的WIMP 粒子，质量分别为25.3GeV/C2 和11.6GeV/C2, 作用截面分别为1.6 × 10-42 cm2 和3.7 × 10-41cm2。但本底很大，实验结果的置信度不高。
2014 年，经探测器的改进和本底的进一步分析，给出了新的物理结果。没有发现超出本底的暗物质信号事例，只能给出一条排除线。 图4.2.7 给出不同实验的实验结果，由不同颜色表示。其中浅蓝色的区域并标有M1 和M2 是CRESST2011 年的结果, 红色实线和虚线是2014 年给出的排除线。图中几条其他颜色的曲线是其他实验给出的结果，将区域M1 和M2 排除掉。改进后的实验否定了自己2011 年的实验结果。
图4.2.7 CRESST 实验的实验结果（右上角为实验名称）
间接探寻实验
1. ATIC 发现电子通量的超出
ATIC 是一个间接测量暗物质的实验，测量暗物质粒子WIMP 湮灭后产生的次级电子等。ATIC 是高空气球实验，将探测器用气球上升到几十千米的高空去探测高能宇宙线粒子，其目的之一是在高空寻找WIMP 湮灭产生的次级粒子（伽马射线、正负电子等）。图4.2.8 所示为ATIC1 和ATIC2 两次飞行获得的实验数据，图中的红色点表示该实验测量得到的电子的能谱，黑虚线是本底。不难看出，在高能区，ATIC 探测到了超出本底的高能电子，能量在300~800GeV 区域多达70 个。如此高能量的电子应该就产生在地球附近，因为高能电子在穿过银河系磁场中会丢失很多能量。这些超出本底的高能正负电子从哪里来的呢？如果不是来源于附近的脉冲星，就很可能来源于暗物质。
图4.2.8 ATIC 测量到的电子能谱
假设这些超出的正电子来源于暗物质粒子的湮灭，还可以估计出WIMP 的质量在600GeV/C2 左右，粒子密度约0.43 GeV/cm3，正反WIMP 粒子湮灭的截面为1×10-23cm2。图中黑实线表示WIMP 粒子湮灭成电子的能谱。
不幸得很，这些超出的高能电子即使是暗物质粒子的产物，事例数也太少，统计涨落很大，与本底相比没差多少。
2. PAMELA 发现正电子比例的异常
PAMELA 实验的目的是在太空探寻暗物质粒子、反物质粒子和研究宇宙线起源等，特别是通过测量正电子或正电子在正负电子总数中的比例来侦测暗物质粒子。
不少间接探测实验（如HEATOO、HEAT、CAPRICE 等）都测量了不同能量下正电子在正负电子中的比例，发现测量高能区的正电子比例有明显增高，如图4.2.9 中的实验点所示。PAMELA 实验对高能区正电子比例做了进一步测量。
图 4.2.9 HEATOO、HEAT、CAPRICE 等实验测量到的不同能量下正电子的比例
PAMELA 探测器内有磁铁形成的磁场，当粒子通过磁场时会被磁场偏转。不同电荷的粒子偏转的方向不同，从而区分出正负粒子，如正电子和负电子、正电质子和负电质子（正反质子）等。图4.2.10 中的红色实验点为PAMELA 测量到的正电子比例，可以看出，在高能区有异常偏高。
图4.2.10 PAMELA 实验测量到的正电子比例
正电子比例高的缘由可能有很多解释。图4.2.11 中的实线代表最简单的散射理论模型预言的正电子比例与能量的关系，两条虚线分别代表包括太阳调制效应的散射理论模型中两个不同参数给出的正电子比例与能量的关系。不难看出，与实验数据比较仍然有不少差别。与ATIC 的实验中高能电子的超出一样，会不会有暗物质粒子的成分呢？
图4.2.11 不同能量的正电子比例
（图中红点为PAMELA 的实验结果，三条曲线是不同理论模型给出的分布）
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