揭开宇宙之谜：暗物质的神秘空洞探索之旅

如果我告诉你，虽然你看不见暗物质，但也许你能听到它呢？我知道，我知道，听起来有点疯狂……而且确实是疯狂的。但它疯狂到可能真的有效。这是一个真实的实验，叫做……让我看看……低温稀有事件搜索超导热计，或称CRESST——如果你没注意到，这里有两个s。看，这不是最好的缩写，但我们就这样吧。

这个实验埋藏在意大利中部的格兰萨索山深处（顺便提一下，格兰萨索在意大利语中是“伟大的岩石”，如果你需要一些额外的冷知识来丰富你的约会之夜），它由一个巨大的钙钨矿晶体组成，也叫Scheelite。这个晶体被冷却到仅几毫开尔文，正好在超导状态的边缘。

这个实验的想法是，如果一个暗物质粒子恰好与探测器发生碰撞，它将导致晶体振动（毕竟能量必须去某个地方），这会干扰超导状态，从而产生检测。

CRESST已经运行多年，但至今还没有确认探测到暗物质粒子。但在科学中，实验只有在你没有学到东西时才算失败，而我们在CRESST实验中确实学到了很多关于暗物质的知识。具体来说，我们知道了暗物质不是怎样的。

在关于暗物质探测实验的发表论文中，您经常会看到这样的图表和图形。请记住，我们并不知道暗物质粒子的具体身份。我们根据各种理论和概念有一些猜测，但归根结底，我们不知道该粒子的确切属性。具体来说，我们不知道它的质量或它与正常物质的相互作用有多容易/稀少。

我们从对更广泛宇宙的观察中得出了一些限制，并且我们已经能够排除许多可能性，比如中微子。但在那之后，一切都是公平的。这就意味着我们有两个任务。一方面，我们需要提出合理且有充分理由的候选者，这涉及大量的创造性头脑风暴、理论推导和猜测。另一方面，我们需要设计实验来排除特定的候选者，或者，如果失败的话，给出暗物质可能具有的属性的更精确限制。

这就是我们最终得到这样的图表的原因，它们显示了特定实验如何排除了暗物质的某些质量范围和相互作用强度。通过简单地进行实验，过了一段时间却没有看到任何结果，您可以自信地说哪些暗物质的属性是被排除的：您可以说暗物质不能是这个特定质量和这个特定相互作用强度。然后您再做一次，再做一次，再做一次。当然，您不会只进行一次实验。请记住，暗物质可能具有各种各样的质量和相互作用强度，而没有单一实验能够覆盖整个范围。

暗物质粒子的可能质量可以跨越超过 50 个数量级。因为这是粒子，所以我们需要用粒子物理学的术语，这意味着我们用电子伏特（eV）来表示质量。在较大质量范围的一端，单个暗物质粒子的质量可能在 1024—1030 eV 之间，这大约介于细菌和小昆虫的质量之间。我们一般认为暗物质粒子的质量不会超过这个，因为任何质量，比如说，行星或恒星的物体，现在都应该在引力透镜观测中显现出来。

在光谱的另一端，我们可以有超轻的暗物质粒子，其能量可以低至10-21电子伏特，这为我们打开了一些非常有趣的机会，我稍后会谈到。

但几十年来，我们的主要暗物质候选者是WIMP，即弱相互作用大质量粒子，我们认为它的质量范围在数十亿到数万亿电子伏特之间，这与已知的重粒子如W和Z玻色子以及顶夸克的质量范围相似。所以它的质量很大，但也不是特别大。我们喜欢WIMP，因为对标准模型的各种理论扩展预测了在该质量范围内存在一种具有正确特性的粒子（也就是说，主要是不可见的）。

我一直在说：WIMP并不是所有物理学中最伟大的想法，整个暗物质假说都是建立在间接证据之上的。但在所有选项中，它是最不糟糕的选择。它是对最大数量观察结果的最简单解释。这是物理学中常用的一个概念，叫做简约性。我们把理论想法当作研究生来对待：我们如何以最少的努力获得最多的工作，或者我们如何从尽可能少的假设中获得最多的解释力。

暗物质假说有其局限性，当然无法解释每一个观察结果，而WIMP仅比纯粹的虚构粒子稍微好一点。但任何其他假说都具有更多的假设因素和更少的解释力（匹配的观察结果更少）。

所以……耸耸肩……就是 WIMPs 啦。

但情况可能会改变。这是因为我们可以整天争论简约性、观察和替代方案，但在科学中，自然才是最终的裁决者，决定哪些想法能留下，哪些会被淘汰。如果我们想继续探讨暗物质的故事，就需要直接、可靠的实验验证，这也是我们建立像 CRESST 这样的实验的原因——去寻找 WIMPs，争取获得诺贝尔奖，然后继续解决其他令人兴奋的未解宇宙难题。

我们在全球范围内进行了数十个直接探测实验，寻找 WIMPs——在这个特定质量范围内的暗物质粒子。而且这些实验的类型也不尽相同。还有闪烁体，它们使用一大桶液态稀有气体，比如几吨氙。它们等待一个暗物质粒子撞击氙并使其闪烁，闪烁是一个专业的科学术语，意思是“闪耀”。我们看到闪烁的光芒，就能探测到暗物质。

WIMPs 并不孤单。它们只是更广泛的暗物质候选者之一，像 Q-balls、WIMPzillas 和无效中微子这样的名字都很有趣。我们调整了不同的实验，以捕捉不同的质量范围和相互作用强度，尽可能覆盖广泛的暗物质光谱。我们甚至在粒子对撞机实验中尝试制造各种类型的暗物质。

我们什么也没找到。