阴影中的宇宙

2007年12月26日，南极麦克默多科考站。长时气球小组的成员们在冰点以下的气温中彻夜未眠，等待外面的大风平息下来。最终，充有100万立方米氦气的巨大气球终于升空，并且把高新稀薄电离热量计（ATIC）送入了大气平流层。

在之后19天的时间里，ATIC一直游荡于南极的上空，研究着来自太空的宇宙线。将近1年之后，ATIC小组公布了他们的惊人结果。他们发现，实验所探测到的高能电子比预想的要多。这听起来似乎没什么大不了的，但是它却是不同寻常的。因为这也许就是占了宇宙物质85%的不可见暗物质泄露出的蛛丝马迹。

[图片说明]：即将升空的高新稀薄电离热量计（ATIC）。版权：ATIC。

事情还没有完。几个月前，一个由意大利科学领导的合作小组报告说，他们在人造卫星上所进行的反物质探测和轻核天体物理载荷（PAMELA）实验也探测到了超出预期的电子，此外探测到的正电子数量也超标。结合早先来自γ射线卫星和地球上暗物质搜寻实验的结果，我们突然一下子有了不少关于暗物质的新线索。“暗物质物理学已经进入了一个非常惊动人心的时刻，”美国费米国家实验室的物理学家丹·胡珀（Dan Hooper）说。

这些证据显示暗物质可能比我们所能想象的还要复杂得多。最新的实验结果预示了暗物质所存在着新的、奇特的类型，这将使得原先科学家所钟爱的暗物质候选体开始失宠。如果真是如此的话，那么我们其实就生活在这些看不见的宇宙成分之中。

这些看不见的成分可能听起来会很奇怪，但是它们会自然而然地出现在诸如弦理论这样的复杂理论中，而这些复杂的理论旨在统一宇宙中主宰着最小和最大尺度的物理学。这些看不见的物质也许就在我们周围。理论上，这些暗物质可以由多种粒子构成，并且彼此之间具有特殊的相互作用力。然而由于这些粒子和我们所熟悉的普通物质之间的相互作用极其微弱，因此我们意识不到它们的存在。直到最十几年来，物理学们才开始认真对待这些构成了暗物质的粒子。

[图片说明]：反物质探测和轻核天体物理载荷（PAMELA）卫星。版权：PAMELA。

尽管我们对暗物质的了解非常有限，但是我们却知道正是它们的引力束缚住了星系和星系团，否则其中恒星和星系的高速运动必将导致星系和星系团的瓦解。我们还知道这些暗物质粒子必定是大质量的，而且它们和周围的环境几乎不发生相互作用。任何满足这些条件的粒子都被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）。

而直接寻找这些WIMP远比说起来的要难得多，因此科学家们通过间接的途径来探测它们。无论在哪儿，当WIMP聚集到相当数量的时候，它们就会发生碰撞湮灭，产生电子、质子、正电子和反质子。由于当宇宙线轰击星际尘埃的时候也会产生相同的粒子，因此用这一方法来搜寻暗物质会就有一定的不确定性。

1998年美国“发现”号航天飞机携带阿尔法磁谱仪（AMS）进行了一次太空之旅。它探测到的正电子数量超过了宇宙线所能产生的最大值。1994年、1995年和2000年搭载在气球上的高能反物质望远镜（HEAT）也得到了相同的结果。“但是它们的误差还比较大，不足以确证这一发现，”美国纽约大学的物理学家尼尔·韦纳（Neal Weiner）说。

现在ATIC和PAMELA都确认了这一发现，这一结果将必将引起重视。天体物理学家们长久以来一直致力于解释这些电子和正电子过剩。如果他们发现其他途径都走不通的话，那么WIMP的湮灭将会是最有希望的解释，这其中每个WIMP的质量都可以达到质子的600-1000倍。

到目前为止，一切都让人激动人心。但是科学家们在尝试区分WIMP上却陷入了困境。从20世纪80年代以来，渺中子（neutralino）一直稳坐WIMP的头把交椅，它是超对称理论所预言的一种粒子。渺中子的质量非常大和普通物质的相互作用也非常微弱。最重要的是它在早期宇宙中的密度正好能给出我们今天所观测到的暗物质。

[图片说明]：版权：Daniel Chang。