搜寻暗物质：引力效应告诉我们缺失的宇宙就在那里

大型强子对撞机这样的设备最终能够探测到暗物质粒子吗？

那么这构成宇宙大部分的神秘物质究竟隐匿在何处？科学家们何时才能找到它们？当然，首先要问的是，我们一开始是如何知道暗物质的存在的？

暗物质的发现历程

暗物质最早是在1930年代由瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）发现，他对星系团质量的计算数值显示宇宙中有些质量“缺失”了。因此，不管构成宇宙完整质量的其他物质是什么，这种物质一定是不发光的，也不会通过除引力之外的其他途径与其他物质之间发生相互作用。

到了1970年代，美国女天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）发现星系内恒星的旋转速度不符合牛顿运动定律：她对仙女座大星系的观测显示，处于星系内部和边缘的恒星，它们围绕星系核心公转的速度似乎是完全一样的，而按照正常的牛顿定律，外侧的恒星公转速度应该要比内侧的恒星更慢。很显然，在星系外侧边缘一定存在着未知的质量，某种我们无法看到的质量体。

其他证据来自引力透镜效应，简单来说这种效应指的是大质量天体的引力场导致周边天体光线被弯曲的现象。根据爱因斯坦所提出的广义相对论，重力能够弯曲时空，就像当你站在一个床垫上，你站立的地方会向下凹陷一样。因此即便光子本身是没有质量的，但由于光线沿空间传播，空间本身的弯曲会导致光线的弯曲。观测数据显示，在某些大型星系团周围出现的强烈光线弯曲现象没有办法用这个星系团中可以观测到的可见物质的质量来解释。换句话说，这些星系团的质量比它们看上去大的太多了。

然后是宇宙微波背景辐射（CMB），这是宇宙大爆炸的余晖，除此之外对于超新星的观测也得到了相同的结论。美国夏威夷大学物理学教授杰森·库马尔（Jason Kumar）表示：“宇宙微波背景辐射告诉我们的信息简单来说就是宇宙在空间上基本是平坦的。这种平坦的含义是，简单来说，如果你在宇宙中画两条穿越整个宇宙的线，它们将永不相交，即便这两条线的直径达到数十亿光年也仍然如此。而在一个曲率较大的宇宙中，这样的两条线将会在空间里的某处相交。”

研究人员随后计算了宇宙中应当含有多少物质的量，才能保证宇宙是平坦的，并且能够产生我们在宇宙中所观察到的那么多数量的“常规物质”（也称“重子物质”）。

库马尔说：“我问我自己，理论计算显示宇宙中应当存在的物质的量与重子物质的量相吻合吗？答案是否定的。”这一差异性为宇宙学家和天文学家们提出了一个强烈的暗示，表明宇宙中应当还存在大量我们看不到的暗物质。这种物质不会发光，也不像质子或者电子那样具有电性，因此一直到目前为止，暗物质仍然没有被直接探测到。

库马尔说：“这就像一个谜团。”此前科学家们已经尝试很多种方法试图实现对暗物质的探测，或者是通过观察它们与普通物质之间的相互作用，或者是搜寻理论上被认为可能是构成暗物质的粒子迹象。库马尔表示：“相关的实验将会逐渐改善，并且目前看来在取得进展方面还尚未遭遇任何明显的困难。”

暗物质不可能是什么？

关于暗物质的本质，此前已经有过多种不同的理论。最早的理论显得非常直白：科学家们认为暗物质隐匿在所谓的“晕内大质量高密度天体”（MACHOs）中间，比如中子星、黑洞、褐矮星和流浪行星等等。它们不会发光，或者发光性很弱，因此在望远镜观测看来，这些天体往往是不可见的。

然而，对于这类晕内大质量高密度天体扭曲背景星光效应——也就是所谓的“微引力透镜效应”开展的观测结果显示，这一效应无法解释存在于星系周围的暗物质规模，甚至连其中的一小部分都不足以解释。美国费米国家实验室助理研究员丹·胡珀（Dan Hooper）表示：“晕内大质量高密度天体理论现在已经基本上被排除了。”

暗物质应该也不会是那些因为不发光而难以被望远镜观测发现的低温气体云团。因为尽管自身并不发光，但气体云团会吸收来自远方背景恒星和星系发出的光线并在更长的波段上发出辐射，因此如果暗物质实际上是气体云团的话，我们应该会在红外波段上观测到强烈的信号。但实际上我们并未观测到这样的强烈信号，因此这一可能性也就被排除了。

暗物质可能是什么？

“弱相互作用大质量粒子”（WIMPs）理论是近年来最有希望解释暗物质本质的候选理论之一。WIMPs是质量非常大的粒子，其质量值可以达到质子的10~100倍。它们产生于宇宙大爆炸过程当中，尽管时至今日仅有很少一部分仍然残留下来。这类粒子会与常规物质之间存在引力或弱核力的相互作用。质量较大的WIMPs粒子在空间移动的速度更慢，因而被称作是“冷”（cold）的暗物质候选体；而那些质量相比稍轻的WIMPs粒子，其在空间移动的速度更高，因此被称为是“温”（warm）的暗物质候选体。

搜寻这种粒子的方式之一被称为“直接探测实验法”，比如在美国南达科塔州的一个矿井中正在进行的“大型地下氙实验”（LUX），它使用大量的液氙对这类粒子进行探测。如果科学家们观察到氙原子核出现无法解释的晃动现象，那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞击。而氙原子核晃动的幅度则能够让科学家们对WIMPs粒子的质量给出估算。但是到目前为止，LUX实验还尚未得到任何结果。

搜寻WIMPs粒子的另一种可能途径则是加速器装置。在加速器内部，原子核以光速相撞，在此过程中产生的巨大能量将会转化为其他类型的粒子，其中一些是科学家们此前从未观测到过的。但到目前为止，粒子加速器并未探测到任何性质上似乎与WIMPs粒子相接近的粒子信号。

不过尽管到目前为止似乎这两种途径都未能获得突破，但库马尔指出，相关实验上取得的进展已经为这种理论上可能存在的暗物质粒子可能的大小和质量设定了限定值。LUX的灵敏度达到200 MeV，这相当于质子质量的1/5左右。理论上它能够观测质量最高达1 TeV的粒子，这已经与某些类型的夸克相接近。由于LUX装置到目前位置仍然没有观测到任何信号，这就意味着在此质量（能量）范围内排除这种理论上存在的暗物质粒子存在的可能性。

库马尔表示，WIMPs粒子的质量有可能会非常大，如果情况的确如此，这就意味着它们的数量不会特别多，因此它们中的单个粒子碰撞氙原子核的概率也就会很低。

在理论物理学界还有另外一种针对暗物质粒子的候选理论，也就是所谓的“轴子”（axions）。这些亚原子粒子能够在其发生湮灭反应，或是衰变为其他粒子时使用间接方法探测到，或者通过粒子加速器进行搜寻。但是同样的，到目前为止，科学家们在这种理论粒子的搜寻方面还是一无所获。

困难重重

由于对大质量，缓慢移动的“冷”候选粒子的探测，比如WIMPs或轴子的探测迟迟未能获得进展，一些科学家开始设法寻找那些更轻、移动速度也更快的粒子，也就是科学家们所称“温”的暗物质粒子。而在科学家们利用钱德拉塞卡X射线空间望远镜在英仙座星系团内发现一种全新未知粒子的迹象之后，科学界对于这一暗物质模型的兴趣被重新点燃了。英仙座星系团是一个巨大的天体集群，距离地球大约2.5亿光年。该星系团会发出特定波长的X射线辐射，但是在2014年，科学界们检测到一种不同波长的辐射，其背后可能对应一种此前未知的轻质量粒子。

美国麻省理工学院的物理学家特雷西·斯拉特尔（Tracy Slatyer）表示，如果暗物质粒子的质量是小的，那么科学家们要想实现对它们的直接探测将会困难重重。斯拉特尔认为，组成暗物质的可能是一类全新的粒子。他说：“如果暗物质粒子的质量低于1 GeV，那么运用传统实验方法想要进行直接探测将会非常困难，因为其探测原理是观察原子核出现的无法解释的晃动信号，但如果暗物质粒子的质量远小于受到撞击的原子核质量的话，那么这样的晃动信号将会非常微弱。”质子，也就是氢原子的原子核，其质量不会小于938 MeV，因此一个质量仅有KeV量级的粒子，其质量值就比质子小了1000倍。斯拉特尔表示：“想象一下让一个乒乓球去撞击一个保龄球，你会发现保龄球根本就不会动，这其中的道理是一样的。”

斯拉特尔表示，当前学界有很多的探讨，关于如果目前搜寻暗物质的各种方法最后归于失败，那时候该怎么做？他们已经提出了各种各样的初步设想，从利用液氦的超流体性质，到半导体技术，再到利用晶体中化学键的性质，不一而足。

库马尔表示，暗物质之所以显得如此神秘，其中一个很重要的原因就在于科学家们认为他们了解，至少在一定程度上了解宇宙大爆炸时期的核合成过程，也就是宇宙中物质产生的机制。此前成功预言了希格斯-玻色子存在的粒子物理学标准模型到目前未知一直都十分成功，因此除非所有人都犯了某种根本性错误，否则很难解释为何到目前为止全世界仍然没有能够探测到暗物质粒子。

举例而言，如果暗物质粒子与现有模型预测的结果非常不同，那么一种可能便是我们的加速器将很难探测到它们的存在。类似大型强子对撞机（LHC）这样的装置更擅长搜寻具有强核力相互作用的物质，因为它们会衰变成为其他类型的粒子。如果暗物质粒子也具有类似性质，那么像大型强子对撞机这样的设备就有希望能够找到它的踪迹，但如果不是这样，那么情况就会完全不同了。

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