暗物質發現在即？

科學家對暗物質展開了全方位的圍剿，目前的戰況仍然是一片混亂。圖片來源：nfggames.com

（文/ Robert Adler）挑一個詞來描述暗物質。你會用「神秘」、「難以捉摸」，還是「看不見」？不過，有一個詞你肯定不會用到，那就是「找到了」。然而，經過了長達80年的搜索之後，這一點或許行將改變。深藏地下的數個實驗最近可能——僅僅是可能——看到了暗物質的信號。與此同時，在太空中，探測器正在追蹤可能是相同的暗物質粒子在銀河系中碰撞並湮滅而發出的輻射。這僅僅是巧合，還是這些微弱的信號，果真來自相同的黑暗之手？

美國芝加哥大學的理論天體物理學家丹·胡珀（Dan Hooper）相信，我們可能已經瞥見了暗物質。「我恰好是那些持肯定態度的極少數派之一，」他說，「但我並不確定——我只是認為有可能。」如果胡珀的預感是正確的，這些發現將挑戰我們對於暗物質本質的認識。這些佔據宇宙物質85%的東西，興許比我們先前想像的還要更加奇特。

由於不會發出望遠鏡能捕捉到的光，暗物質因此得名。然而，無論我們往哪兒看，不管是微波背景輻射中的漲落還是尺度最大的星系團，都能看到它留下的引力印跡。如果大爆炸沒有創造出充足的暗物質，就沒有足夠的引力使得氣體和塵埃坍縮成恆星和星系。沒有了暗物質，轉動的銀河系就會解體。「暗物質是構建星系的骨架，」美國加利福尼亞大學歐文分校的宇宙學家詹姆斯·布洛克（James Bullock）說，「沒有它們，我真的不認為在宇宙中會存在多少結構。」

天文學家發現了它，宇宙學家勘測了它，最熱衷於了解它們的卻是粒子物理學家。他們知道，暗物質有著本質上的差異，遊離於描述可見宇宙中粒子和作用力的標準模型之外。許多科學家相信，暗物質是一扇通往未知世界的窗戶。但它們是什麼呢？

暗物質的頭號候選者是弱相互作用大質量粒子（WIMP）。我們懷疑它們和可見物質間僅有引力和弱核力作用。儘管弱核力作用很弱，但我們仍然可以通過它探測到WIMP。在針對它們所進行的幾十年的搜索中，暗物質獵人們採取了3種互補的手段：直接探測、間接探測，以及對撞機。

低溫暗物質搜尋實驗（CDMS）是直接探測的代表——也是可能找到暗物質的實驗之一。它的想法是，在銀河系中穿行的數十億個WIMP中，總該會有某一個與探測器中的某個原子核發生相互作用，非常輕微地推它一下。CDMS的夾心標靶由感測器之間的硅和鍺構成，它們會記錄下電子以及由這些碰撞所產生的微弱振動。為了保護這些探測器免受背景干擾輻射的影響，CDMS的團隊將它安置在美國明尼蘇達州一個地下700米深的礦井裡。它們會被冷卻到距離絕對零度僅有百分之一度，從而把熱雜訊降到最低。

2013年4月，CDMS團隊公布了硅中發生的、可能是WIMP的3次碰撞。這些粒子的質量為8 GeV（10億電子伏特），是質子質量的大約8倍。不過，僅有的3次碰撞，不足以讓科學家確信。

不過，CDMS的發現為暗物質搜索添加了額外的變數。原因在於，這些結果與同在美國明尼蘇達礦井中的CoGeNT實驗相符，後者在2011年觀測到了有著相同質量的粒子。和CDMS一樣，CoGeNT並沒有觀測到足夠數量的事件來得出全然的結論。不過，把這些結果匯總到一起，卻耐人尋味。尤其是，CoGeNT最初的目標之一便是平息暗物質圈裡聲名狼藉的一個議題，即所謂的DAMA/LIBRA異常。

DAMA/LIBRA實驗位於義大利巨石峰國家公園地下1400米處，已經運轉了超過10年。它的探測器測量到了一個會隨著季節起伏的信號，就好像地球繞太陽公轉的過程中，在暗物質海里穿行一樣。DAMA/LIBRA暗示，暗物質粒子的質量在10 GeV左右，與CDMS與CoGeNT的結果相似。對於這一信號的來源，科學家各執一詞，不過沒有人對DAMA/LIBRA探測到信號的強度表示懷疑——用物理學術語來說，它的標準偏差達到了8.9個σ，高於宣稱發現所需的5個σ的水平。

然而，多年來一直沒有人相信是暗物質導致了DAMA/LIBRA的結果，因為當時它只此一家。之後，CoGeNT出場了，領導這個實驗團隊的是美國芝加哥大學的胡安?科勒（Juan Collar）。令他和其他人同樣驚訝的是，CoGeNT並沒有排除DAMA/LIBRA的發現。他說：「我們非但沒有否定掉DAMA的結果，相反，我們還在低能段上發現了一個我們無法解釋的數值增量，還發現了一些周年變化的線索。」CoGeNT團隊很快就會發表他們為期4年的觀測結果。「我沒辦法告訴你那是什麼，」科勒說，「但我可以告訴你這些數據很有意思。」

另一個問題是，幾十年來理論學家一直鍾愛較重的WIMP，質量在100 GeV左右。這些較重的WIMP是超對稱以及其他試圖超越標準模型的理論的自然產物。而較輕的WIMP與它們的許多預期相抵觸。

不過，最大的問題在於，世界上最大且最靈敏的直接探測實驗XENON至今仍一無所獲，令所有這些發現疑雲重重。XENON團隊就像一個過分熱忱的清道夫，已經排除了一個又一個潛在的觀測結果，包括絕大多數質量為10 GeV的WIMP。正如他們用物理學中的外交辭令所說，在XENON的否定結果和其他實驗的結果之間，「關係緊張」。

禁區

領導XENON合作項目的埃琳娜·阿普里爾（Elena Aprile）深切地感受到了這一緊張的氣氛。她說：「排除了一個又一個，同時卻什麼也沒發現，這是一場噩夢。」她希望自己團隊的結果可以挑戰其他的實驗，來建造更大更好的探測器，發現或排除質量更小的粒子，甚至排除更弱的相互作用。她的團隊正在建造一個比XENON靈敏100倍的探測器，預期會在2015年投入運轉。

不過，認為WIMP就位於7～10 GeV之間的科學家並沒有放棄。他們知道每一個實驗的結論都建立在一些理論假設之上，這些假設包括：WIMP如何與不同原子核相互作用、暗物質在銀河系中的分布和速度，以及每個探測器的響應能力。例如，在一篇最近的論文中，胡珀提出，如果XENON探測器的響應能力與預期稍有不同，它的結果就能支持其他的實驗。他希望，將於2013年底開始運轉的世界上最靈敏的暗物質探測器LUX，可以解決這一爭議。

最輕的WIMP還得到了來自太空的支持。幾個儀器正在搜尋暗物質粒子碰撞和湮滅的信號。這些間接探測尋找的是γ射線中的獨有特徵，或者說是在湮滅中所產生的反物質。最有希望的觀測之一，來自費米γ射線空間望遠鏡。2010年，它在銀河系銀盤的上下兩側發現了兩個高達25000光年的巨大γ射線泡。雖然可能有著其他的源頭，但胡珀和美國麻省理工學院的理論物理學家特蕾西·斯萊特爾（Tracy Slatyer）認為，這兩個泡所呈現出的，正是7～10 GeV暗物質粒子的湮滅。

天文學家在銀河系銀盤的上下兩側發現了兩個巨大的γ射線泡，被一些科學家認為是暗物質粒子湮滅的證據。圖片來源：NASA

但是，間接探測也有它們共同的缺陷。曾經有一個費米的信號被鼓吹成是「確鑿的證據」，但在更多的測量之後漸漸凋零了。PAMELA衛星和國際空間站上阿爾法磁譜儀（AMS）的信號表明，暗物質粒子應該是大質量的，來自另一個γ射線衛星的結果卻認為，WIMP的質量應該只有前者的千分之一。

最後，如果WIMP確實存在，它應該可以在粒子的高能碰撞中被製造出來。這意味著，它們應該會在大型強子對撞機中現身。然而，到目前為止，我們什麼也沒看到。

面對如此不知所措的局面，每個人都同意，需要更多的時間來收集數據，並且建造更大更好的探測器。「我們希望能100%地確定我們所說的話，」AMS實驗的副發言人羅伯托·巴蒂斯頓（Roberto Battiston）說。

雖然像阿普里爾這樣的實驗物理學家把沒有發現WIMP說成是「一場噩夢」，許多理論物理學家卻聞到了這個領域散發出來的混亂氣息。「為了解決暗物質謎題，對於暗物質可能是什麼，我們必須儘可能地拓寬思路，」美國密歇根大學的高能理論物理學家凱瑟琳·祖瑞克（Kathryn Zurek）說。

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

英國杜倫大學的席琳·波姆（Celine Boehm）率先研究了一個想法，在最簡單的模型中加入一種新的暗作用力，這會讓暗物質粒子間發生相互作用，使得暗成分會包含有暗電磁作用和暗光。在量子理論中，電磁力需要光子來傳遞，波姆的想法也暗示了暗光子的存在。「暗光子會是一種超越我們目前已知範疇的自然界作用力，」美國紐約州立大學石溪分校的粒子物理學家魯文·埃西格（Rouven Essig）說。

從可見物質和暗物質如何從大爆炸中創生，到星系和更大尺度的結構如何形成，暗作用力都會產生重大的影響。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，一個長程的暗作用力可以增大暗物質碰撞的概率，漂亮地解釋DAMA/LIBRA、PAMELA以及有關的發現。「假設暗成分有著自己的相互作用力，是完全合理的，」韋納說，「把它加進來，你會發現它同時能解釋很多東西，這是它的優點。」

這打開了一扇通往各種可能性的大門。美國約翰斯·霍普金斯大學的理論物理學家戴維·卡普蘭（David Kaplan）提醒，暗作用力也暗示了暗電荷，它可以構成暗原子、類氫化學，可能還有暗恆星。2013年初，美國哈佛大學的安德雷·卡茨（Andrey Katz）及其同事甚至提出，一些暗原子會冷卻並位於星系盤中。這一「雙盤暗物質」可以解釋一些實驗中的異常現象，並且應該易於檢驗。

暗物質可能要複雜得多，存在多種不同的粒子，彼此之間甚至還有相互作用。圖片來源：《新科學家》暗光

暗反物質也是可能的。根據由卡普蘭、祖瑞克和美國加州大學戴維斯分校的馬庫斯·魯蒂（Markus Luty）所提出的一個理論，早期宇宙中普通反物質和暗反物質間的聯繫，可以漂亮乾脆地解釋我們現在所觀測到的暗物質數量。

這一切中最激動人心的或許是，我們有可能在實驗室中製造出暗光。加拿大多倫多大學的理論物理學家鮑勃·霍爾敦（Bob Holdom）在1986年證明，暗光子可以與普通光子和電子發生相互作用，一些科學家由此認為，暗光子會比更重的暗物質粒子更易於探測。德國美因茨大學的實驗物理學家哈拉爾德·默克爾（Harald Merkel）說：「暗光子可以非常輕，已有的加速器就能發現它。」

這一前景激勵了大批歐洲和美國的實驗物理學家。默克爾正在進行的美因茨電子回旋加速器實驗，已經展開了對暗光子的搜尋，但迄今還什麼都沒有看到。「如果我們發現了什麼，你會知道的，」默克爾說，「這會和發現希格斯玻色子同樣重要。它將會開啟新的物理學。」

在大西洋的另一側，3個實驗——暗光（DarkLight）、APEX和重光子搜尋——已經在美國傑斐遜實驗室通過了初步測試。它們每一個都對不同的質量範圍敏感，因此這3個實驗可以相互補充。在傑斐遜實驗室的加速器完成升級投入使用後，重光子搜尋將於2015年開始收集數據，APEX和暗光實驗會緊隨其後。該實驗室的高能粒子物理學家約翰·傑羅斯（John Jaros）提醒說，即便這些實驗發現了暗光子，尋找到它們和暗物質的聯繫仍會是個挑戰。

這些瘋狂的實驗都提出一個問題：怎麼樣才能宣布發現了暗物質？科學家都同意，對暗物質粒子或者作用力令人信服的發現，至少需要2個不同的實驗在質量及與普通物質相互作用的強度上給出完全一致的結果，而且具有很高的統計置信度。對此，科勒還補充了2點。「在理想情況下，加速中應該要能人為地製造出與之相容的暗物質，」他說，「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的預言。」

無論這些實驗會發現什麼，用美國普渡大學的物理學家拉斐爾?蘭（Rafael Lang）的話來說，暗物質正在引發一場「新哥白尼革命」。如果暗物質粒子被發現了，它將是為攀登暗成分這座大山漫長而艱辛旅程打下的第一枚岩釘。如果沒有發現，那麼很快，從引力如何作用到超越標準模型的整個物理學，一切都將陷於混沌。

編譯自：《新科學家》，Out of the shadows: Picking up hints of dark matter