科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)展開(kāi)了全方位的圍剿，目前的戰(zhàn)況仍然是一片混亂。圖片來(lái)源：nfggames.com

（文/ Robert Adler）挑一個(gè)詞來(lái)描述暗物質(zhì)。你會(huì)用“神秘”、“難以捉摸”，還是“看不見(jiàn)”？不過(guò)，有一個(gè)詞你肯定不會(huì)用到，那就是“找到了”。然而，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)80年的搜索之后，這一點(diǎn)或許行將改變。深藏地下的數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)最近可能——僅僅是可能——看到了暗物質(zhì)的信號(hào)。與此同時(shí)，在太空中，探測(cè)器正在追蹤可能是相同的暗物質(zhì)粒子在銀河系中碰撞并湮滅而發(fā)出的輻射。這僅僅是巧合，還是這些微弱的信號(hào)，果真來(lái)自相同的黑暗之手？

美國(guó)芝加哥大學(xué)的理論天體物理學(xué)家丹·胡珀（Dan Hooper）相信，我們可能已經(jīng)瞥見(jiàn)了暗物質(zhì)。“我恰好是那些持肯定態(tài)度的極少數(shù)派之一，”他說(shuō)，“但我并不確定——我只是認(rèn)為有可能?！比绻甑念A(yù)感是正確的，這些發(fā)現(xiàn)將挑戰(zhàn)我們對(duì)于暗物質(zhì)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。這些占據(jù)宇宙物質(zhì)85%的東西，興許比我們先前想象的還要更加奇特。

由于不會(huì)發(fā)出望遠(yuǎn)鏡能捕捉到的光，暗物質(zhì)因此得名。然而，無(wú)論我們往哪兒看，不管是微波背景輻射中的漲落還是尺度最大的星系團(tuán)，都能看到它留下的引力印跡。如果大爆炸沒(méi)有創(chuàng)造出充足的暗物質(zhì)，就沒(méi)有足夠的引力使得氣體和塵埃坍縮成恒星和星系。沒(méi)有了暗物質(zhì)，轉(zhuǎn)動(dòng)的銀河系就會(huì)解體?！鞍滴镔|(zhì)是構(gòu)建星系的骨架，”美國(guó)加利福尼亞大學(xué)歐文分校的宇宙學(xué)家詹姆斯·布洛克（James Bullock）說(shuō)，“沒(méi)有它們，我真的不認(rèn)為在宇宙中會(huì)存在多少結(jié)構(gòu)。”

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它，宇宙學(xué)家勘測(cè)了它，最熱衷于了解它們的卻是粒子物理學(xué)家。他們知道，暗物質(zhì)有著本質(zhì)上的差異，游離于描述可見(jiàn)宇宙中粒子和作用力的標(biāo)準(zhǔn)模型之外。許多科學(xué)家相信，暗物質(zhì)是一扇通往未知世界的窗戶。但它們是什么呢？

暗物質(zhì)的頭號(hào)候選者是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）。我們懷疑它們和可見(jiàn)物質(zhì)間僅有引力和弱核力作用。盡管弱核力作用很弱，但我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)它探測(cè)到WIMP。在針對(duì)它們所進(jìn)行的幾十年的搜索中，暗物質(zhì)獵人們采取了3種互補(bǔ)的手段：直接探測(cè)、間接探測(cè)，以及對(duì)撞機(jī)。

低溫暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)（CDMS）是直接探測(cè)的代表——也是可能找到暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)之一。它的想法是，在銀河系中穿行的數(shù)十億個(gè)WIMP中，總該會(huì)有某一個(gè)與探測(cè)器中的某個(gè)原子核發(fā)生相互作用，非常輕微地推它一下。CDMS的夾心標(biāo)靶由傳感器之間的硅和鍺構(gòu)成，它們會(huì)記錄下電子以及由這些碰撞所產(chǎn)生的微弱振動(dòng)。為了保護(hù)這些探測(cè)器免受背景干擾輻射的影響，CDMS的團(tuán)隊(duì)將它安置在美國(guó)明尼蘇達(dá)州一個(gè)地下700米深的礦井里。它們會(huì)被冷卻到距離絕對(duì)零度僅有百分之一度，從而把熱噪聲降到最低。

2013年4月，CDMS團(tuán)隊(duì)公布了硅中發(fā)生的、可能是WIMP的3次碰撞。這些粒子的質(zhì)量為8 GeV（10億電子伏特），是質(zhì)子質(zhì)量的大約8倍。不過(guò)，僅有的3次碰撞，不足以讓科學(xué)家確信。

不過(guò)，CDMS的發(fā)現(xiàn)為暗物質(zhì)搜索添加了額外的變數(shù)。原因在于，這些結(jié)果與同在美國(guó)明尼蘇達(dá)礦井中的CoGeNT實(shí)驗(yàn)相符，后者在2011年觀測(cè)到了有著相同質(zhì)量的粒子。和CDMS一樣，CoGeNT并沒(méi)有觀測(cè)到足夠數(shù)量的事件來(lái)得出全然的結(jié)論。不過(guò)，把這些結(jié)果匯總到一起，卻耐人尋味。尤其是，CoGeNT最初的目標(biāo)之一便是平息暗物質(zhì)圈里聲名狼藉的一個(gè)議題，即所謂的DAMA/LIBRA異常。

DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)位于意大利巨石峰國(guó)家公園地下1400米處，已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了超過(guò)10年。它的探測(cè)器測(cè)量到了一個(gè)會(huì)隨著季節(jié)起伏的信號(hào)，就好像地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過(guò)程中，在暗物質(zhì)海里穿行一樣。DAMA/LIBRA暗示，暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量在10 GeV左右，與CDMS與CoGeNT的結(jié)果相似。對(duì)于這一信號(hào)的來(lái)源，科學(xué)家各執(zhí)一詞，不過(guò)沒(méi)有人對(duì)DAMA/LIBRA探測(cè)到信號(hào)的強(qiáng)度表示懷疑——用物理學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，它的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了8.9個(gè)σ，高于宣稱發(fā)現(xiàn)所需的5個(gè)σ的水平。

然而，多年來(lái)一直沒(méi)有人相信是暗物質(zhì)導(dǎo)致了DAMA/LIBRA的結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)時(shí)它只此一家。之后，CoGeNT出場(chǎng)了，領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的是美國(guó)芝加哥大學(xué)的胡安?科勒（Juan Collar）。令他和其他人同樣驚訝的是，CoGeNT并沒(méi)有排除DAMA/LIBRA的發(fā)現(xiàn)。他說(shuō)：“我們非但沒(méi)有否定掉DAMA的結(jié)果，相反，我們還在低能段上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)我們無(wú)法解釋的數(shù)值增量，還發(fā)現(xiàn)了一些周年變化的線索。”CoGeNT團(tuán)隊(duì)很快就會(huì)發(fā)表他們?yōu)槠?年的觀測(cè)結(jié)果?！拔覜](méi)辦法告訴你那是什么，”科勒說(shuō)，“但我可以告訴你這些數(shù)據(jù)很有意思?！?/p>

另一個(gè)問(wèn)題是，幾十年來(lái)理論學(xué)家一直鐘愛(ài)較重的WIMP，質(zhì)量在100 GeV左右。這些較重的WIMP是超對(duì)稱以及其他試圖超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論的自然產(chǎn)物。而較輕的WIMP與它們的許多預(yù)期相抵觸。

不過(guò)，最大的問(wèn)題在于，世界上最大且最靈敏的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)XENON至今仍一無(wú)所獲，令所有這些發(fā)現(xiàn)疑云重重。XENON團(tuán)隊(duì)就像一個(gè)過(guò)分熱忱的清道夫，已經(jīng)排除了一個(gè)又一個(gè)潛在的觀測(cè)結(jié)果，包括絕大多數(shù)質(zhì)量為10 GeV的WIMP。正如他們用物理學(xué)中的外交辭令所說(shuō)，在XENON的否定結(jié)果和其他實(shí)驗(yàn)的結(jié)果之間，“關(guān)系緊張”。

禁區(qū)

領(lǐng)導(dǎo)XENON合作項(xiàng)目的埃琳娜·阿普里爾（Elena Aprile）深切地感受到了這一緊張的氣氛。她說(shuō)：“排除了一個(gè)又一個(gè)，同時(shí)卻什么也沒(méi)發(fā)現(xiàn)，這是一場(chǎng)噩夢(mèng)?！彼Ｍ约簣F(tuán)隊(duì)的結(jié)果可以挑戰(zhàn)其他的實(shí)驗(yàn)，來(lái)建造更大更好的探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)或排除質(zhì)量更小的粒子，甚至排除更弱的相互作用。她的團(tuán)隊(duì)正在建造一個(gè)比XENON靈敏100倍的探測(cè)器，預(yù)期會(huì)在2015年投入運(yùn)轉(zhuǎn)。

不過(guò)，認(rèn)為WIMP就位于7～10 GeV之間的科學(xué)家并沒(méi)有放棄。他們知道每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論都建立在一些理論假設(shè)之上，這些假設(shè)包括：WIMP如何與不同原子核相互作用、暗物質(zhì)在銀河系中的分布和速度，以及每個(gè)探測(cè)器的響應(yīng)能力。例如，在一篇最近的論文中，胡珀提出，如果XENON探測(cè)器的響應(yīng)能力與預(yù)期稍有不同，它的結(jié)果就能支持其他的實(shí)驗(yàn)。他希望，將于2013年底開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的世界上最靈敏的暗物質(zhì)探測(cè)器LUX，可以解決這一爭(zhēng)議。

最輕的WIMP還得到了來(lái)自太空的支持。幾個(gè)儀器正在搜尋暗物質(zhì)粒子碰撞和湮滅的信號(hào)。這些間接探測(cè)尋找的是γ射線中的獨(dú)有特征，或者說(shuō)是在湮滅中所產(chǎn)生的反物質(zhì)。最有希望的觀測(cè)之一，來(lái)自費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡。2010年，它在銀河系銀盤(pán)的上下兩側(cè)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)高達(dá)25000光年的巨大γ射線泡。雖然可能有著其他的源頭，但胡珀和美國(guó)麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家特蕾西·斯萊特爾（Tracy Slatyer）認(rèn)為，這兩個(gè)泡所呈現(xiàn)出的，正是7～10 GeV暗物質(zhì)粒子的湮滅。

天文學(xué)家在銀河系銀盤(pán)的上下兩側(cè)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)巨大的γ射線泡，被一些科學(xué)家認(rèn)為是暗物質(zhì)粒子湮滅的證據(jù)。圖片來(lái)源：NASA

但是，間接探測(cè)也有它們共同的缺陷。曾經(jīng)有一個(gè)費(fèi)米的信號(hào)被鼓吹成是“確鑿的證據(jù)”，但在更多的測(cè)量之后漸漸凋零了。PAMELA衛(wèi)星和國(guó)際空間站上阿爾法磁譜儀（AMS）的信號(hào)表明，暗物質(zhì)粒子應(yīng)該是大質(zhì)量的，來(lái)自另一個(gè)γ射線衛(wèi)星的結(jié)果卻認(rèn)為，WIMP的質(zhì)量應(yīng)該只有前者的千分之一。

最后，如果WIMP確實(shí)存在，它應(yīng)該可以在粒子的高能碰撞中被制造出來(lái)。這意味著，它們應(yīng)該會(huì)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中現(xiàn)身。然而，到目前為止，我們什么也沒(méi)看到。

面對(duì)如此不知所措的局面，每個(gè)人都同意，需要更多的時(shí)間來(lái)收集數(shù)據(jù)，并且建造更大更好的探測(cè)器?！拔覀兿Ｍ?00%地確定我們所說(shuō)的話，”AMS實(shí)驗(yàn)的副發(fā)言人羅伯托·巴蒂斯頓（Roberto Battiston）說(shuō)。

雖然像阿普里爾這樣的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家把沒(méi)有發(fā)現(xiàn)WIMP說(shuō)成是“一場(chǎng)噩夢(mèng)”，許多理論物理學(xué)家卻聞到了這個(gè)領(lǐng)域散發(fā)出來(lái)的混亂氣息?！盀榱私鉀Q暗物質(zhì)謎題，對(duì)于暗物質(zhì)可能是什么，我們必須盡可能地拓寬思路，”美國(guó)密歇根大學(xué)的高能理論物理學(xué)家凱瑟琳·祖瑞克（Kathryn Zurek）說(shuō)。

祖瑞克和其他人正在研究豐富得多的暗成分，包含有多種暗物質(zhì)粒子和相互作用，甚至還有暗原子、暗化學(xué)，乃至一個(gè)完全和我們一一對(duì)應(yīng)的鏡像宇宙。

英國(guó)杜倫大學(xué)的席琳·波姆（Celine Boehm）率先研究了一個(gè)想法，在最簡(jiǎn)單的模型中加入一種新的暗作用力，這會(huì)讓暗物質(zhì)粒子間發(fā)生相互作用，使得暗成分會(huì)包含有暗電磁作用和暗光。在量子理論中，電磁力需要光子來(lái)傳遞，波姆的想法也暗示了暗光子的存在?！鞍倒庾訒?huì)是一種超越我們目前已知范疇的自然界作用力，”美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校的粒子物理學(xué)家魯文·埃西格（Rouven Essig）說(shuō)。

從可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)如何從大爆炸中創(chuàng)生，到星系和更大尺度的結(jié)構(gòu)如何形成，暗作用力都會(huì)產(chǎn)生重大的影響。在2008年的一篇論文中，斯萊特爾和理論物理學(xué)家尼瑪·阿卡尼－哈米德（Nima Arkani-Hamed）、道格拉斯·芬克拜納（DouglasFinkbeiner）以及尼爾·韋納（Neal Weiner）一起提出，一個(gè)長(zhǎng)程的暗作用力可以增大暗物質(zhì)碰撞的概率，漂亮地解釋DAMA/LIBRA、PAMELA以及有關(guān)的發(fā)現(xiàn)?！凹僭O(shè)暗成分有著自己的相互作用力，是完全合理的，”韋納說(shuō)，“把它加進(jìn)來(lái)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它同時(shí)能解釋很多東西，這是它的優(yōu)點(diǎn)?！?/p>

這打開(kāi)了一扇通往各種可能性的大門(mén)。美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維·卡普蘭（David Kaplan）提醒，暗作用力也暗示了暗電荷，它可以構(gòu)成暗原子、類氫化學(xué)，可能還有暗恒星。2013年初，美國(guó)哈佛大學(xué)的安德雷·卡茨（Andrey Katz）及其同事甚至提出，一些暗原子會(huì)冷卻并位于星系盤(pán)中。這一“雙盤(pán)暗物質(zhì)”可以解釋一些實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象，并且應(yīng)該易于檢驗(yàn)。

暗物質(zhì)可能要復(fù)雜得多，存在多種不同的粒子，彼此之間甚至還有相互作用。圖片來(lái)源：《新科學(xué)家》

暗光

暗反物質(zhì)也是可能的。根據(jù)由卡普蘭、祖瑞克和美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的馬庫(kù)斯·魯?shù)伲∕arkus Luty）所提出的一個(gè)理論，早期宇宙中普通反物質(zhì)和暗反物質(zhì)間的聯(lián)系，可以漂亮干脆地解釋我們現(xiàn)在所觀測(cè)到的暗物質(zhì)數(shù)量。

這一切中最激動(dòng)人心的或許是，我們有可能在實(shí)驗(yàn)室中制造出暗光。加拿大多倫多大學(xué)的理論物理學(xué)家鮑勃·霍爾敦（Bob Holdom）在1986年證明，暗光子可以與普通光子和電子發(fā)生相互作用，一些科學(xué)家由此認(rèn)為，暗光子會(huì)比更重的暗物質(zhì)粒子更易于探測(cè)。德國(guó)美因茨大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家哈拉爾德·默克爾（Harald Merkel）說(shuō)：“暗光子可以非常輕，已有的加速器就能發(fā)現(xiàn)它?！?/p>

這一前景激勵(lì)了大批歐洲和美國(guó)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。默克爾正在進(jìn)行的美因茨電子回旋加速器實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)展開(kāi)了對(duì)暗光子的搜尋，但迄今還什么都沒(méi)有看到?！叭绻覀儼l(fā)現(xiàn)了什么，你會(huì)知道的，”默克爾說(shuō)，“這會(huì)和發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子同樣重要。它將會(huì)開(kāi)啟新的物理學(xué)?！?/p>

在大西洋的另一側(cè)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)——暗光（DarkLight）、APEX和重光子搜尋——已經(jīng)在美國(guó)杰斐遜實(shí)驗(yàn)室通過(guò)了初步測(cè)試。它們每一個(gè)都對(duì)不同的質(zhì)量范圍敏感，因此這3個(gè)實(shí)驗(yàn)可以相互補(bǔ)充。在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的加速器完成升級(jí)投入使用后，重光子搜尋將于2015年開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，APEX和暗光實(shí)驗(yàn)會(huì)緊隨其后。該實(shí)驗(yàn)室的高能粒子物理學(xué)家約翰·杰羅斯（John Jaros）提醒說(shuō)，即便這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了暗光子，尋找到它們和暗物質(zhì)的聯(lián)系仍會(huì)是個(gè)挑戰(zhàn)。

這些瘋狂的實(shí)驗(yàn)都提出一個(gè)問(wèn)題：怎么樣才能宣布發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)？科學(xué)家都同意，對(duì)暗物質(zhì)粒子或者作用力令人信服的發(fā)現(xiàn)，至少需要2個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)在質(zhì)量及與普通物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度上給出完全一致的結(jié)果，而且具有很高的統(tǒng)計(jì)置信度。對(duì)此，科勒還補(bǔ)充了2點(diǎn)。“在理想情況下，加速中應(yīng)該要能人為地制造出與之相容的暗物質(zhì)，”他說(shuō)，“而且，最重要的是，可以解釋這一粒子的理論還必須要能給出其他可以檢驗(yàn)的預(yù)言。”

無(wú)論這些實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，用美國(guó)普渡大學(xué)的物理學(xué)家拉斐爾?蘭（Rafael Lang）的話來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)正在引發(fā)一場(chǎng)“新哥白尼革命”。如果暗物質(zhì)粒子被發(fā)現(xiàn)了，它將是為攀登暗成分這座大山漫長(zhǎng)而艱辛旅程打下的第一枚巖釘。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，那么很快，從引力如何作用到超越標(biāo)準(zhǔn)模型的整個(gè)物理學(xué)，一切都將陷于混沌。

編譯自：《新科學(xué)家》，Out of the shadows: Picking up hints of dark matter