暗物质寻踪

具有争议的结论

在深深的地下实验室，一些科学家正在寻找暗物质。他们醉心于此，发现者的名字将被永远载入史册，与牛顿和爱因斯坦齐名。但令人备受挫折的是，这种物质非常神秘，他们一次次试图找到它却一次次失败，2011年声称看到了暗物质踪迹的研究小组纷纷被质疑，最终也没获得什么确切结论。

事实上，我们能看到的亮的物质，包括太阳、银河系及所有发光的物质仅仅是宇宙中极少的一部分，大约只占4%。相反，23%的宇宙由看不见的暗物质组成，73%由一种导致宇宙加速膨胀的暗能量组成。这是一个中学老师从未告诉过你的宇宙，一种完全不为人所知的物质和能量正控制着我们的宇宙，主宰着宇宙的未来。

瑞士天文学家茨威基

20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基（FritzZwicky）发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。当时许多人并不相信茨威基的结果，由于暗物质根本不与光发生作用，更不会发光，在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。

几十年过去了，科学家并未取得实质性的进展。最近，关于发现暗物质性质的希望，已经随着检测而破灭。这种物质对于不同的探测器显示出不同的性质，有时候它在一个探测器上比在另一个上重，有时候在一个实验中显得比其他实验更容易产生相互作用。在最极端的情况下，在两个同样材质、放置在紧挨着两个房间的两台仪器上，一个能显示出来一个却没有。

“现在的情况非常混乱。”胡安·科拉（JuanCollar）对本刊记者说，他是美国CoGeNT暗物质实验项目的主管。这个项目在明尼苏达州700米深的苏丹（Soudan）地下实验室进行，这里由废旧的矿井改建而成。实验使用高纯度的锗作为探测器来观测碰撞产生的电信号，它已经看到了数以百计的东西，每一个都可能是暗物质粒子撞击探测器产生的。

胡安·科拉

“有两个独立的实验似乎发现了暗物质。一个实验看到连续不断的暗物质流穿过他们的仪器，另一个实验似乎已经看到一束暗物质粒子，虽然他们在背景噪音中失去了它们。”科拉说。他用了“似乎”这个词，因为在经过一番争论后，学界仍然没有承认发现了暗物质。

2008年，位于意大利大萨索山一条隧道中的实验项目DAMA宣称，在新一代探测器中看到了暗物质的信号。他们的观点遭到了很多研究小组的质疑。据实验仪器与其处于同一地区的XENON100项目科学家艾琳娜·阿普里勒（ElenaAprile）说，其他团队都被他们的发现难住了，现在还没有人能够确认这个信号，实际上他们的结果似乎与其他团队的相互矛盾。2011年5月，科拉所在的CoGeNT小组也声称看到了暗物质踪迹，但是消息发布后并没有多少人认真对待。中科院理论物理所研究员李淼也曾表示，中国的科学家并没有表示任何兴奋或沮丧。

“物理学家追踪暗物质，就像追踪一个幽灵。”科拉说。虽然我们看不到暗物质，但是它们有弱相互作用，有一定的概率和探测器内的原子核碰撞，由此传递一定的能量给被撞的原子，导致原子被电离、激发或者产生晶格振动，也就是我们能观测到的光、电、热信号。这样的探测实验非常困难，一是因为信号太微弱，需要非常灵敏的探测器；二是因为信号太少，而其他的宇宙噪声信号又太多，需要大海捞针似的把暗物质信号挑选出来。

我们需要暗物质。对于天文学家来说，它是看不见的“宇宙胶”。与旋转木马一样，星系在旋转时产生离心力。引力是保持恒星和星系聚集在一起的“黏合剂”，但是宇宙里我们可以看到的物质，并不能产生那么大的引力，使星系不致分裂开来，科学家认为宇宙中一定存在另一种看不到的物质，给星系提供重要的引力将其聚合起来。如果暗物质不存在，这意味着我们关于引力的理解在大尺度上是错误的。这对于很多天文学家来说是不可想象的，他们将希望寄托于暗物质，并通过观测星系的移动和旋转来帮助确定它的性质。

更重要的是，暗物质是我们试图超越粒子物理“标准模型”中缺失的环节。在基础物理学中有一个非常成功的理论，叫做“标准模型”，这个模型描述了所有已知的物质结构，从原子到星系无一漏网。但是在它描述自然界中三种基本作用力性质的同时，却无法描述第四种力——引力，而且无法解释为何有大量的普通粒子。为了完善这个模型，理论学家假设目前还有没被发现的粒子，在宇宙大爆炸之后极度高温下和普通物质进行作用，但是现在却失去了大量的能量。

理论家开始计算暗物质的实体到底是什么，他们将目光集中于大质量弱相互作用粒子（WIMP），这是一种运动速度相对缓慢，能够聚集成团，100倍于质子的粒子。在漫长的研究中，科学家知道暗物质只参与引力作用，不是已知的任何一种粒子，既不发光，看不到它，速度也不是很快，大质量弱相互作用粒子的各种性质和科学家的预测相吻合，于是成为暗物质最有希望的候选者。

地下寻幽灵

现在很多实验都是寻找理论上的大质量弱相互作用粒子。为此物理学家们选择了黑暗世界，他们在废弃矿井和交通隧道中看管着昂贵的高灵敏度探测器，这些机器将帮他们找到指向暗物质的证据。这些探测器虽然采用了好几种不同方案，但是都遵循着一个基本理念：拿一些你认为可能与暗物质发生相互作用的物质，将它埋到地底，然后等待不寻常的事件。

这样的实验必须在地下深处进行，实验室上面覆盖的岩石可以屏蔽宇宙射线或者其他太空中的东西。而暗物质不像我们在地球上遇到的任何东西，它可以穿越一切它遇到的东西。加州大学尔湾分校的暗物质理论学家乔纳森·冯（JonathanFeng）曾打过一个比方：从你开始阅读这篇文章时算起，已经有将近10亿个这样的粒子从你的身体里穿过，除非你极其幸运，否则不会有任何一个粒子产生任何可以识别的影响。“平均需要一年的时间，你才有可能遇到一个WIMP粒子，被你细胞里的原子核散射，释放出极其微弱的能量。为了有希望检测到这样的事件，物理学家建起了粒子探测器，长期监测大量的液体或者其他物质。”

各个实验在地下的那些定制的设备全都等着一颗“大质量弱相互作用粒子”撞击原子核，并引起一次反弹时刻的到来。普通人或许觉得这种守株待兔行为愚不可及，因为暗物质与普通物质相互作用的可能极其罕见。对艾琳娜而言，这些实验就像“在黑暗中射击”，她觉得“这帮找暗物质的人就像扑克牌里边的大王一样难以捉摸”。

但是科学家也没有更好的办法，并且很多人对此信心满满。“暗物质探测器的精度已经比20年前强1000倍，未来的科学家会建造更大更精确的探测器，而且他们也会更熟练地排除掉背景噪音。如果日后有一天，有人站起来说我们已经发现暗物质，这一点儿都不奇怪。”科拉说。

或许暗物质直接探测离出现结果已经不远了。当然，也存在着另外的可能，就是暗物质并非是大质量弱相互作用粒子，那么这种类型的实验就探测不到。随着欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）的运行，科学家希望在LHC的高能碰撞中制造出大质量弱相互作用粒子。但是目前为止，它也没有出现。

是时候放弃大质量弱相互作用粒子了吗？对此，乔纳森·冯对本刊记者说：“科学家仍然可以通过降低粒子的质量来提高它们的互动能力，这同样也增加了不同种类暗物质粒子的可能性。一旦你开始思考超越大质量弱相互作用粒子，你就会发现有很多不同的可能性。”

大质量弱相互作用粒子最大的对手就是轴子，这是一种非常轻的中性粒子，它在标准模型中起了重要的作用，这个假设的粒子有可能解释为什么宇宙中物质比反物质多。除此之外，科学家还提出了各种候选人名单。“这就好比是盲人摸象，我们都摸到了暗物质不同的一面，希望以后我们能将它们放在一起，以正确的方式发现它究竟是什么样。”乔纳森·冯说。