尋找暗物質，我們最後的希望在哪裡？| 國際暗物質日專供

作者 Joseph Silk

翻譯 阿金

審校&編輯 金庄維

大部分天文學家相信，暗物質如同恆星、行星一般，是切實存在的。我們能夠按圖索驥地將它描繪出來；我們認為星系內大部分都是暗物質，中間零星點綴著「亮斑」（可見物質）；我們利用暗物質來理解宇宙的結構及其演化。但是近十年以來，各種設計精巧的實驗都沒能直接探測到暗物質：我們看到它留下的蛛絲馬跡，卻並不知道暗物質究竟是什麼。

科學家在很早以前就排除了暗物質是某種普通物質或基本粒子的可能性。相關的理論傾向於認為，暗物質是一種與普通物質僅發生微弱相互作用的新型粒子。大量暗物質粒子整日整夜地穿過我們的星球，它們理應留下些痕迹。物理學家在實驗室中培養晶體，將它們填滿低溫桶，並運往地底深處以屏蔽普通粒子的干擾，然後等待泄露未知粒子「行蹤」的微小熱脈衝和閃光的出現。不過迄今為止，結果不容樂觀：南達科他州萊德市（Lead, South Dakota）的一個廢棄金礦內，地下一英里（約 1609 米）深處進行的大型地下氙探測器實驗（LUX experiment）一無所獲；中國四川省錦屏山地下 2400 米岩層內的隧道中，粒子和天體物理氙探測器（PandaX）實驗一無所獲；法國阿爾卑斯大區弗雷瑞斯（Fréjus）附近的隧道中，地下 1.7 千米的 EDELWEISS 實驗亦是一無所獲。零收穫的暗物質探測實驗名單還在繼續增加。

這些「零結果」將暗物質可能潛藏的參數空間限制得越來越窄。面對數據的匱乏，理論物理學家猜想，暗物質是性質更為奇特的粒子，其中大部分更難被探測到。既然暗物質探測如此困難，物理學家可以將希望轉而寄託於通過粒子加速器「撞」出暗物質粒子。這樣，我們就能通過檢測粒子對撞中的能量消失，來推斷出它們的存在。但是大型強子對撞機（LHC）已經精確地嘗試過了這種方式，但目前為止依然毫無收穫。一些理論家懷疑暗物質根本不存在，愛因斯坦的廣義相對論將我們引入了歧途。這個理論告訴我們，星系如果不是被一些看不見的物質牢牢束縛在一起的話，早就四處飛散了，但是也可能這個理論本身有問題。不過迄今為止，廣義相對論經受住了其它所有觀測的檢驗，而與它競爭的其他理論則存在各種致命缺陷。

85%的物質是我們現在所未知的。最令人擔心的是，情況會永遠如此。

僅存的希望

雖然大部分暗物質探測實驗一無所獲，但仍然有兩個實驗堅稱，他們找到了暗物質的蛛絲馬跡。由於種種原因，這兩個實驗的結果備受爭議。它們可能是錯的，但也值得深究。即便確實一無所獲，這也還是說明了，在茫茫宇宙中尋找暗物質困難重重。

在義大利北部山下一條 1.4 千米長的隧道中，格蘭薩索國家實驗室（Gran SassoLaboratory）的 DAMA/LIBRA 粒子探測器便在尋找暗物質的蹤影：暗物質粒子散射碘化鈉晶體內的原子核而發出的閃光。這台探測器已經收集了超過 13 年的數據，並且「看見」過一個非常特別的現象：粒子檢測率隨季節更迭而起伏，在六月份達到最高，在十二月份達到最低。

這正是我們所期待的。理論上預言，暗物質會在銀河系周圍形成一片巨大的「雲團」。整個太陽系都在這片雲團中穿行，但是單個行星的速度不同，這是因為它們圍繞太陽的軌道運動不同。地球相對「雲團」的速度在六月達到最高，而在十二月達到最低。這能夠確定暗物質粒子穿過地球探測器的速率。

然而，情況並不像我們想像中那樣樂觀。不可否認，DAMA 探測到了非常顯著的季節性變化。但是許多其他因素也會產生這種特點，比如地下水流（影響輻射的背景水平），還有大氣中其他粒子的數量，比如 μ 子。根據最新統計，其他一些實驗聲稱他們的結果和 DAMA 不符。但是確認 DAMA 結果可靠性的唯一方法就是用相同類型的探測器在不同的地點重複同樣的實驗。目前就有幾個這樣的實驗正在籌備和進行中。其中一個將在南極開展，那裡的季節變化與義大利大不相同。

另一條線索來自間接實驗。這些實驗的目標不是暗物質粒子本身，而是它們碰撞、湮滅後產生的二級粒子。2008 年，義大利和俄羅斯聯合製造的 PAMELA 衛星（Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics）意外地觀察到大量來自宇宙深處的正電子（正電子是電子的反物質）。最近，國際空間站上的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer）也確認了這項觀察結果。與此同時，費米衛星（Fermi satellite）報告觀測到自銀河系中心發出、延伸至約 20 度（角距離）的伽瑪射線束。它的形狀正好符合我們對暗物質的預期：關於銀河系中心呈球面對稱，越靠近中心，強度越大。

這完美得讓人不敢相信！但美中不足的是，觀測到的正電子和伽馬射線也可能都源自快速旋轉的中子星——毫秒脈衝星。理論研究對於源自暗物質候選粒子的正電子特徵作出了預言，但觀測到的正電子特徵與預言並不相符，因此我們需要檢查它們是否來自中子星所在的方向。而伽馬射線的波動則表明它們可能來自銀河系中心周圍的許多微弱、未知的脈衝星源。此外，如果這些伽馬射線來自暗物質，天文學家應該能夠檢測到附近的小型矮星系發出的類似信號。這些矮星系擁有的暗物質可比我們自己的銀河系多多了。遺憾的是，我們並沒有探測到這樣的信號。

諸多可能

大部分暗物質實驗致力於尋找最簡單的候選粒子——大質量弱相互作用粒子（WIMPs），它是粒子物理標準模型的自然衍生品。這裡的「弱」有雙層含義：粒子之間通過弱相互作用進行「互動」；這種相互作用非常微弱。研究人員不需要知道細節，光憑「弱」這個信息能就計算出宇宙中需要存在多少這樣的粒子。在大爆炸的原初湯中，粒子們「自生自滅」。隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸下降，各種類型的粒子一個接一個地形成，形成時間取決於各自的質量。不過這時，部分粒子仍會通過相互作用被「消滅」，被滅的比例取決於相互作用的強度。直到宇宙膨脹到足夠大，粒子的分布足夠稀疏以致相互之間無法發生碰撞，粒子的數量才穩定下來。

給定 WIMP 的相互作用強度，你就能算出它們的數量，然後你會發現，早期宇宙這口大鍋應該能製造出相當數量的暗物質。計算還能給出 WIMP 的質量，應該有數百個質子那麼重。總而言之，這種暗物質候選粒子能在標準模型中自然出現，並且性質優異，所以物理學家稱之為「WIMP 奇蹟」。

然而，理想很豐滿，現實很骨感。隨著越來越多的 WIMP 探測實驗報告「零收穫」，物理學家變得越來越絕望。他們開始考慮備胎選項。

暗物質粒子也許擁有極大的質量，從而無法被現有的探測器捕獲。但這又帶來一個新問題：粒子的質量越大，它們的數量就越少（因為宇宙學觀測僅對暗物質的總質量做出限制），可能少到被我們的探測器所忽略。若真如此，物理學家就需要找到與以往完全不同的搜尋方案，比如考慮這些粒子對古老的中子星或其他天體的影響。

另一種可能性則是：暗物質粒子太輕，以致於無法在探測器上留下顯著的印記。在這種情況下，物理學家可以使用天然探測器——太陽來尋找這些粒子。太陽在穿過星系的暗物質「雲」時會撞上大片粒子。這些粒子與太陽中的質子發生散射，從而對太陽的溫度分布產生影響。這會引發氣體漩渦的湍流行為：在太陽外層或上升，或下降，或旋轉。我們能夠通過日震科學來看到這些現象。（日震學研究太陽內部傳播的擾動及其對太陽表面的影響，就像我們通過地震學來研究地震現象一樣。）研究表明一些日震學異常現象難以用標準的太陽模型進行解釋。

太陽的「黑暗之心」：太陽能夠作為天然的暗物質探測器。和暗物質的相互作用可能會改變太陽的內部結構，而這種改變能通過監測太陽表面的振蕩而被觀測到。圖中，遠離我們的區域用紅色標示，而接近我們的區域則用藍色標示。圖片來源：AURA/NSO/National Science Foundation

如果暗物質粒子聚集在太陽內部，它們就有可能在太陽核心湮滅，而這個過程會產生高能中微子。位於日本中部的超級神岡探測器（Super-Kamiokande）和南極的冰立方中微子天文台（IceCube observatory）就致力於探測這樣的中微子。但迄今為止尚未發現相關事例。

最極端的候選者是軸子，它的質量僅僅是質子質量的萬億分之一，甚至更小。這種粒子雖然現在還僅存於理論當中，但也並非不可見：它能夠發生電磁相互作用，並在強磁場腔中製造出微波光子。研究人員從上世紀八十年代起，就著手進行軸子探測實驗，但和 WIMP 探測器一樣，結果不容樂觀。

我們還有些更加大膽的想法——

也許，暗粒子根本不是粒子，而是電磁場的某位「遠房表親」——「非粒子」，它的能量並非以離散波包的形式存在。非粒子能在對撞數據中留下間接的痕迹。

也許，暗物質的「身份」並非單一。普通物質便由許多類型的粒子構成，暗物質同樣可能擁有多重身份。但這樣一來，每種粒子的特徵都會被稀釋，使得研究更加困難。

也許，暗物質不參與除引力以外的任何相互作用，這會使得實驗物理學家的研究生涯成為一場噩夢。

這是最好的時代，也是最壞的時代

從某種意義上，我們正處於科學發展的黃金時代，舊觀點被宣告無效，新觀點亟待出觀——也許是新粒子，也許是新的引力理論。

惱人的一點在於，自然把新物理藏在一個我們找不到的地方。雖然我們在尋找 WIMP 的大業中尚未智窮計盡，但實驗發展的空間是有限的。探測器在對暗物質越來越敏感的同時，也對其他粒子更加敏感，所以提高精確度未必能將兩者區分開來。按照現在前進的步伐，在十年之內，探測器就將難以區分太陽發出的中微子和宇宙射線撞擊地球大氣層發出的中微子。

不過那時，我們仍然能夠訴諸間接的探測方法。其中最有希望的一個就是切倫科夫望遠鏡陣列（Cherenkov Telescope Array）。這個陣列由分布在智利和拉帕爾馬島的 100 多架望遠鏡組成，它們的目標之一就是尋找星系中暗物質粒子湮滅而產生的伽馬射線。但是這項研究終將碰上一大難題：成本。暗物質探測器目前是大型物理實驗中最經濟的一類。但是如果我們要持續擴大它們的規模，提高靈敏度和複雜度，那麼它們也將加入LHC（成本將近 70 億美元）、韋伯太空望遠鏡（成本將近 80 億美元）等燒錢猛獸的隊伍。況且，暗物質探測實驗能否成功還不好說，這就很難打動政客。

發現暗物質粒子的最強工具也許會是新的粒子對撞機。物理學家計劃在大約三十年後建造一個能量七倍於 LHC 的對撞機。中國和歐洲都在研究建造方案。參考 LHC 的造價進行粗略估計，新對撞機將耗費 250 億美元（按現在的美元市值來算）。考慮到這筆花銷由多個國家共同承擔，並且對撞機的建造時間長達數十年，這也許是可以被接受的。但這可能已經達到了極限。如果那時我們依舊一無所獲，那麼即使物理學家擁有無盡的資源、建造更大的探測器，也於事無補。因為新對撞機都無法看到的未知粒子必然擁有超大的質量，以至於大爆炸產生的粒子數量不足以解釋暗物質在宇宙中所佔的比重。自然，它們也不可能是暗物質粒子。

儘管我們付出種種艱辛的努力，但結局未必美好——我們可能不會發現任何暗物質粒子的信號。也許，暗物質根本就不存在。我們試圖修正愛因斯坦的引力理論——廣義相對論來拋棄暗物質，但迄今為止，這個理論完美地通過了各種實驗檢驗。自 2016 年起，LIGO 探測到的引力波信號又一次支持了廣義相對論。所以，它的另一個預言——暗物質的存在也難以被推翻。

不過往好處想，暗物質探測的困難也表明，自然界仍有大量謎團等待我們去發現和探索。我們現在仍在尋找暗物質粒子。迷失在黑暗中的我們，除了前進別無他法。

Joseph Silk 是牛津大學的宇宙學家，同時也在巴黎天體物理研究所、約翰霍普金斯大學任職。他是研究宇宙微波背景輻射和宇宙結構形成的先驅。