暗物質尋蹤

具有爭議的結論

在深深的地下實驗室，一些科學家正在尋找暗物質。他們醉心於此，發現者的名字將被永遠載入史冊，與牛頓和愛因斯坦齊名。但令人備受挫折的是，這種物質非常神秘，他們一次次試圖找到它卻一次次失敗，2011年聲稱看到了暗物質蹤跡的研究小組紛紛被質疑，最終也沒獲得什麼確切結論。

事實上，我們能看到的亮的物質，包括太陽、銀河系及所有發光的物質僅僅是宇宙中極少的一部分，大約只佔4%。相反，23%的宇宙由看不見的暗物質組成，73%由一種導致宇宙加速膨脹的暗能量組成。這是一個中學老師從未告訴過你的宇宙，一種完全不為人所知的物質和能量正控制著我們的宇宙，主宰著宇宙的未來。

瑞士天文學家茨威基

20世紀30年代，瑞士天文學家茨威基（FritzZwicky）發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。當時許多人並不相信茨威基的結果，由於暗物質根本不與光發生作用，更不會發光，在天文上用光的手段絕對看不到暗物質。

幾十年過去了，科學家並未取得實質性的進展。最近，關於發現暗物質性質的希望，已經隨著檢測而破滅。這種物質對於不同的探測器顯示出不同的性質，有時候它在一個探測器上比在另一個上重，有時候在一個實驗中顯得比其他實驗更容易產生相互作用。在最極端的情況下，在兩個同樣材質、放置在緊挨著兩個房間的兩台儀器上，一個能顯示出來一個卻沒有。

「現在的情況非常混亂。」胡安·科拉（JuanCollar）對本刊記者說，他是美國CoGeNT暗物質實驗項目的主管。這個項目在明尼蘇達州700米深的蘇丹（Soudan）地下實驗室進行，這裡由廢舊的礦井改建而成。實驗使用高純度的鍺作為探測器來觀測碰撞產生的電信號，它已經看到了數以百計的東西，每一個都可能是暗物質粒子撞擊探測器產生的。

胡安·科拉

「有兩個獨立的實驗似乎發現了暗物質。一個實驗看到連續不斷的暗物質流穿過他們的儀器，另一個實驗似乎已經看到一束暗物質粒子，雖然他們在背景噪音中失去了它們。」科拉說。他用了「似乎」這個詞，因為在經過一番爭論後，學界仍然沒有承認發現了暗物質。

2008年，位於義大利大薩索山一條隧道中的實驗項目DAMA宣稱，在新一代探測器中看到了暗物質的信號。他們的觀點遭到了很多研究小組的質疑。據實驗儀器與其處於同一地區的XENON100項目科學家艾琳娜·阿普里勒（ElenaAprile）說，其他團隊都被他們的發現難住了，現在還沒有人能夠確認這個信號，實際上他們的結果似乎與其他團隊的相互矛盾。2011年5月，科拉所在的CoGeNT小組也聲稱看到了暗物質蹤跡，但是消息發布後並沒有多少人認真對待。中科院理論物理所研究員李淼也曾表示，中國的科學家並沒有表示任何興奮或沮喪。

「物理學家追蹤暗物質，就像追蹤一個幽靈。」科拉說。雖然我們看不到暗物質，但是它們有弱相互作用，有一定的概率和探測器內的原子核碰撞，由此傳遞一定的能量給被撞的原子，導致原子被電離、激發或者產生晶格振動，也就是我們能觀測到的光、電、熱信號。這樣的探測實驗非常困難，一是因為信號太微弱，需要非常靈敏的探測器；二是因為信號太少，而其他的宇宙雜訊信號又太多，需要大海撈針似的把暗物質信號挑選出來。

我們需要暗物質。對於天文學家來說，它是看不見的「宇宙膠」。與旋轉木馬一樣，星系在旋轉時產生離心力。引力是保持恆星和星系聚集在一起的「黏合劑」，但是宇宙里我們可以看到的物質，並不能產生那麼大的引力，使星系不致分裂開來，科學家認為宇宙中一定存在另一種看不到的物質，給星系提供重要的引力將其聚合起來。如果暗物質不存在，這意味著我們關於引力的理解在大尺度上是錯誤的。這對於很多天文學家來說是不可想像的，他們將希望寄託於暗物質，並通過觀測星系的移動和旋轉來幫助確定它的性質。

更重要的是，暗物質是我們試圖超越粒子物理「標準模型」中缺失的環節。在基礎物理學中有一個非常成功的理論，叫做「標準模型」，這個模型描述了所有已知的物質結構，從原子到星系無一漏網。但是在它描述自然界中三種基本作用力性質的同時，卻無法描述第四種力——引力，而且無法解釋為何有大量的普通粒子。為了完善這個模型，理論學家假設目前還有沒被發現的粒子，在宇宙大爆炸之後極度高溫下和普通物質進行作用，但是現在卻失去了大量的能量。

理論家開始計算暗物質的實體到底是什麼，他們將目光集中於大質量弱相互作用粒子（WIMP），這是一種運動速度相對緩慢，能夠聚集成團，100倍於質子的粒子。在漫長的研究中，科學家知道暗物質只參與引力作用，不是已知的任何一種粒子，既不發光，看不到它，速度也不是很快，大質量弱相互作用粒子的各種性質和科學家的預測相吻合，於是成為暗物質最有希望的候選者。

地下尋幽靈

現在很多實驗都是尋找理論上的大質量弱相互作用粒子。為此物理學家們選擇了黑暗世界，他們在廢棄礦井和交通隧道中看管著昂貴的高靈敏度探測器，這些機器將幫他們找到指向暗物質的證據。這些探測器雖然採用了好幾種不同方案，但是都遵循著一個基本理念：拿一些你認為可能與暗物質發生相互作用的物質，將它埋到地底，然後等待不尋常的事件。

這樣的實驗必須在地下深處進行，實驗室上面覆蓋的岩石可以屏蔽宇宙射線或者其他太空中的東西。而暗物質不像我們在地球上遇到的任何東西，它可以穿越一切它遇到的東西。加州大學爾灣分校的暗物質理論學家喬納森·馮（JonathanFeng）曾打過一個比方：從你開始閱讀這篇文章時算起，已經有將近10億個這樣的粒子從你的身體里穿過，除非你極其幸運，否則不會有任何一個粒子產生任何可以識別的影響。「平均需要一年的時間，你才有可能遇到一個WIMP粒子，被你細胞里的原子核散射，釋放出極其微弱的能量。為了有希望檢測到這樣的事件，物理學家建起了粒子探測器，長期監測大量的液體或者其他物質。」

各個實驗在地下的那些定製的設備全都等著一顆「大質量弱相互作用粒子」撞擊原子核，並引起一次反彈時刻的到來。普通人或許覺得這種守株待兔行為愚不可及，因為暗物質與普通物質相互作用的可能極其罕見。對艾琳娜而言，這些實驗就像「在黑暗中射擊」，她覺得「這幫找暗物質的人就像撲克牌裡邊的大王一樣難以捉摸」。

但是科學家也沒有更好的辦法，並且很多人對此信心滿滿。「暗物質探測器的精度已經比20年前強1000倍，未來的科學家會建造更大更精確的探測器，而且他們也會更熟練地排除掉背景噪音。如果日後有一天，有人站起來說我們已經發現暗物質，這一點兒都不奇怪。」科拉說。

或許暗物質直接探測離出現結果已經不遠了。當然，也存在著另外的可能，就是暗物質並非是大質量弱相互作用粒子，那麼這種類型的實驗就探測不到。隨著歐洲核子中心大型強子對撞機（LHC）的運行，科學家希望在LHC的高能碰撞中製造出大質量弱相互作用粒子。但是目前為止，它也沒有出現。

是時候放棄大質量弱相互作用粒子了嗎？對此，喬納森·馮對本刊記者說：「科學家仍然可以通過降低粒子的質量來提高它們的互動能力，這同樣也增加了不同種類暗物質粒子的可能性。一旦你開始思考超越大質量弱相互作用粒子，你就會發現有很多不同的可能性。」

大質量弱相互作用粒子最大的對手就是軸子，這是一種非常輕的中性粒子，它在標準模型中起了重要的作用，這個假設的粒子有可能解釋為什麼宇宙中物質比反物質多。除此之外，科學家還提出了各種候選人名單。「這就好比是盲人摸象，我們都摸到了暗物質不同的一面，希望以後我們能將它們放在一起，以正確的方式發現它究竟是什麼樣。」喬納森·馮說。