紛亂複雜的暗物質探測

對於一種完全不可見的東西，暗物質卻極為出色地讓其他事物感覺到了它們的存在。從20世紀30年代起，天文學家們便已開始收集它們的證據，追蹤它們是如何通過其勢不可擋的引力來控制星系、星系團乃至更大的宇宙結構的。

探測暗物質的競賽帶來更多的是亂象。但正在建造的更大、更靈敏的探測器不久就會改變這一局面。

[圖片說明]：X射線（粉色）揭示出星系團中的普通物質，背景星系的引力透鏡（藍色）則反映出暗物質。

對於一種完全不可見的東西，暗物質卻極為出色地讓其他事物感覺到了它們的存在。從20世紀30年代起，天文學家們便已開始收集它們的證據，追蹤它們是如何通過其勢不可擋的引力來控制星系、星系團乃至更大的宇宙結構的。雖然它真正的屬性仍然未知，但是暗物質的總量似乎超出了恆星和星系中可見的普通物質大約5.5倍。然而，在地球上，正在努力回答「它是什麼」這個問題的物理學家們卻常常感覺他們正在追逐一個幽靈。確實，他們的探測器已經給出了許多奇怪且相互矛盾的結果。兩個實驗獨立地在它們的儀器中看到似乎是暗物質流的東西。另一個探測器在2010年可能看到了幾個暗物質粒子——但卻被實驗者當成了背景噪音。而另一個實驗則根本沒有發現暗物質的證據。幸運的是，這一亂象可能是暫時的。暗物質探測器對極罕見事件的靈敏度比20年前高出了約1,000倍。隨著物理學家建造更大的探測器並且能更有效地壓制可能被錯當成真實信號的背景噪音（見「暗物質探測器」），在未來十年探測靈敏度還會再升高100倍。「如果一年後有人站出來說我們已經做到了，也不會有什麼令人吃驚的，」美國加州理工學院的理論物理學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）說。其他物理學家則更謹慎地預計還要5到10年。儘管如此，可以感覺出來這個領域是山雨欲來風滿樓。絕大多數探測暗物質的嘗試都直接始於一個假設，那就是它們是從大爆炸起便遺留下來的弱相互作用大質量粒子（WIMP）。這裡的「大質量」解釋了引力，而「弱相互作用」則解釋了不可見性：WIMP可以不計其數地穿過恆星、行星和人體，卻幾乎不會撞上任何東西。在這些基本的東西之外，搭建這樣一個實驗則需要一定的猜測。例如，為了獲得顯著的反衝效應，科學家需要一個和他們所尋找的暗物質粒子質量相當的標靶核子。美國加州大學歐文分校的粒子物理學家馮孝仁（Jonathan Feng）說，這就像尋找一個看不見的撞球。如果標靶核子相當於一個保齡球，那麼它們之間的撞擊幾乎不會令它移動。另一方面，如果標靶相當於一個乒乓球，它又幾乎無法使得暗物質粒子偏轉，因為只有很小的能量會被轉移。所以，馮孝仁說，你需要的是另一個撞球。超對稱WIMP有幾個暗物質實驗則把寶押在了超對稱身上。在超對稱理論中，物理學標準模型里的每一種粒子都有一個較重且迄今尚未被觀測到的夥伴粒子。超對稱預言存在一種被稱為中性微子（neutralino）的WIMP，它具有可以解釋宇宙中所見暗物質分布的完全特性。它的相互作用極其微弱，而它的質量又非常大——達質子的50至幾千倍。最受關注的中性微子探測實驗之一是位於義大利巨石峰國家實驗室地下、由美國和歐洲大學聯合進行的氙暗物質搜尋實驗（XENON）。顧名思義，這個實驗的探測介質是一箱液態氙。氙的原子量超過了131，接近探測超對稱中最容易搜尋的低質量端WIMP的理想值。裝在XENON箱子內部的光電倍增管會探測氙由於被WIMP撞擊發生反衝而產生的閃光（被稱為閃爍）。2006年建成的第一個XENON探測器使用了大約15千克的氙，沒有發現任何不能以背景輻射來解釋的現象。這一合作團隊隨後在2009年將其升級為更大、更靈敏包含有161千克氙的XENON100。雖然該探測器最初11天的運轉仍然沒有發現任何粒子，但這一結果本身確實極為重要的：領導瑞士蘇黎世大學XENON小組的物理學家勞拉·鮑迪斯（Laura Baudis）說，質量小於100千兆電子伏（GeV）的WIMP應該顯現出來。由於它們沒有出現，因此這些質量較小的就被排除掉了。不幸的是，隨後運轉100天的結果仍不清晰：研究人員正努力來對付由氙中的痕量雜質所產生的意料之外的高強度背景輻射。純粹而簡單另一個搜尋相似質量範圍的實驗是位於美國明尼蘇達州北部廢棄蘇丹鐵礦中的低溫暗物質搜尋（CDMS）。該實驗團隊使用鍺和硅晶體作為探測介質，它們是唯一具有足夠高純度可以用來探測暗物質的固體元素。當這個探測器運轉時，這些晶體——直徑大約10厘米——會被冷卻到只有40毫開爾文的低溫，因此任何由WIMP撞擊所產生的熱量都會被探測到。目前正在運轉的是這個實驗的第二代，被稱為CDMSII。該實驗團隊在2010年初報告了一個令人興奮的消息，探測到了兩個可以被解釋成暗物質的信號。儘管引發了一陣騷動，但他們卻保持緘默。「我們並沒有聲稱這是重要的發現；在這一低閾值上我們看到了許多事件，而其中絕大部分可能是背景，」CMDS團隊成員、美國加州理工學院的傑弗里·菲利皮尼（Jeffrey Filippini）說。如果這兩個事件不作數，那麼CDMS團隊和XENON團隊得到了差不多一樣的結果：有效地排除了低質量WIMP存在的零發現。然而，XENON和CDMS的結果卻和其他的實驗相矛盾，這些實驗聲稱探測到了被前兩者排除了的極低質量WIMP。其中也許最饒有興趣和飽受爭議的是暗物質大碘化鈉容量罕見過程搜尋（DAMA/LIBRA）實驗，它和XENON共用了巨石峰國家實驗室的場地。DAMA的工作原理是，太陽繞銀河系中心的軌道會令太陽系以大約每秒220千米的速度穿過不可見的宇宙暗物質背景。因此地球上的探測器會看到以這個速度飛過它們的暗物質，再外加一個由於地球繞太陽轉動而產生的每秒30千米的周年變化。尋找碘化鈉晶體中反衝事件閃爍的DAMA團隊宣布13年來他們一直追蹤著這麼一個周期性的信號。然而，這些晶體無法區分WIMP和探測器周圍環境中來自普通輻射的背景事件，因此這一結果依賴於一個假設，那就是背景事件的發生率固定且不隨季節變化。如果這一結果成立，它就公然與XENON和CDMS的發現相左了。「如果主要信號真如他們聲稱的那麼大，那麼我們和其他團隊應該已經看到它了，」德國馬普物理學研究所的萊奧·施托多爾斯基（Leo Stodolsky）說，他參與了同在巨石峰的超導量熱計低溫罕見事件搜尋（CRESST）實驗。許多非DAMA的物理學家都對此表示懷疑，施托多爾斯基說，許多的季節性過程都會釋放出能偽裝成DAMA暗物質結果的亞原子粒子，包括實驗室山頂上雪的融化和重新凍結這麼簡單的現象。進一步撼動DAMA結果的是沒有其他的暗物質實驗是搜尋周期信號的，因此它的結果無法被直接重複。然而，雖然有質疑，但DAMA的信號每年都在變得更強。「DAMA已經非常有膽量，」美國芝加哥大學的物理學家胡安·科勒（Juan Collar）說，「他們走出去，宣布結果。」而絕大多數其他的物理學家仍傾向於把他們的結果歸結於背景噪音。科勒領導了一個被稱為相干鍺中微子技術（CoGeNT）的實驗，它的探測器就位於蘇丹鐵礦中CDMSII的附近。CoGeNT使用調製過的鍺晶體來探測比它周圍的其他探測器所尋找的質量小得多的入射粒子。它最初是想探測這一質量範圍來排除低質量WIMP的存在，但它的結果卻最終使得事情變得更撲朔迷離。在CDMSII報告「幾乎沒有」發現時，CoGeNT發布了它最初56天運轉的數據。結果顯示，在7到11GeV的質量間有數百個粒子事件可以被解釋成暗物質。這可能是DAMA探測到的同一粒子，但物理學家很快就提出了另一個更為嚴肅的解釋。「對CoGeNT來說，信號和背景很容易會被錯當成同一件事，」美國約翰·霍普金斯大學的物理學家戴維·卡普蘭（David Kaplan）說。該小組決定在初次發表結果之後再等待一年，來看看它的結果是否會出現類似DAMA的季節性漲落，之後再公布新的結果。完全湮滅與此同時，關於探測暗物質的另一條途徑又爆發了一場爭論。暗物質粒子許多古怪特性之一便是它們是自己的反粒子：在一個地方放置足量的反物質，它們就會開始彼此湮滅，在此過程中會產生γ射線。美國費米國家加速器實驗室的天文學家丹·胡珀（Dan Hooper）說，特別地，銀河系中心會產生過量的γ射線輻射，因為暗物質預計會在那裡聚集。胡珀聲稱在美國宇航局費米γ射線空間望遠鏡的數據中發現了這些γ射線超的證據。「如果你想問在銀心暗物質里你會看到什麼類型的信號，那麼這就是你想要的，」美國紐約大學的理論物理學家尼爾·韋納（Neal Weiner）說。這一結果與7.3到9.3GeV的暗物質粒子相一致，這也與CoGeNT和DAMA的發現相符。其他科學家則仍表示懷疑。「銀河系中心極為複雜，在你相信你看到了暗物質湮滅之前，你必須要排除其他所有的可能，」美國哈佛史密松天體物理學中心的天文學家道格·芬克貝納（Doug Finkbeiner）說。他指出信號也可能來自尚未被發現的脈衝星——會產生大量高能輻射的高速自轉中子星。然而，胡珀的結果卻給予了研究人員想像的空間。「這裡有太多的巧合，」科勒說。當三個實驗的發現都開始指向質量相近的暗物質粒子時，他說：「你就會開始自問，它們是否不再是巧合？」這些方法已經讓諸如馮孝仁這樣的理論家重新審視了所有的結果，來尋找它們是否可能是出自一個有關暗物質可能是什麼的一致想法。馮孝仁說，如果CoGeNT和DAMA是對的，那麼它們並沒有探測到預期的暗物質粒子，即中性微子，因為它不會如此輕並且如結果所示具有如此強的相互作用。因此暗物質也許是一些極為不同的粒子——或者也許單一WIMP的模型並非是正確的。「如果你只關注我們四周百分之幾的宇宙，那它是十分複雜的，」談及包含了諸如μ介子、中微子和夸克這些奇怪東西的標準模型所預言的「粒子動物園」時加拿大圓周理論物理研究所的物理學家菲利普·舒斯特（Philip Schuster）如是說。他說：「相信宇宙成分中剩下的85%也這樣簡單是有一點瘋狂的。」和他的合作者一起，舒斯特正在尋找一個更為複雜的暗物質理論的證據，它被稱為「暗成分」。它包含了多種類型的暗物質以及許多和普通物質相似可以形成暗原子的暗力。在美國托馬斯·傑弗遜國家加速器實驗室可以加速高能電子束並且搜尋由它們輻射出的相對較重的載力粒子，而它的A級實驗（APEX）正在檢驗這個理論。「它也許能告訴我們，宇宙比我們懷疑的還要廣博得多，」和舒斯特一起進行APEX的圓周研究所物理學家納塔利婭·托羅（Natalia Toro）說。好消息是XENON100和CoGeNT團隊有望在今年公布他們第一年的運轉數據。諸如大型地下氙（LUX）和氙中微子質量（XMASS）這樣更大、更靈敏的探測器正計劃在不久的將來開始投入使用。「雖然我們現在正處於『公說公有理，婆說婆有理』的狀態，但它不會一直持續下去，」韋納說，「幾年內我們將會有足夠的信息來平息這一切。」

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