（文/ Robert Adler）挑一個(gè)詞來(lái)描述暗物質(zhì)。你會(huì )用“神秘”、“難以捉摸”，還是“看不見(jiàn)”？不過(guò)，有一個(gè)詞你肯定不會(huì )用到，那就是“找到了”。然而，經(jīng)過(guò)了長(cháng)達80年的搜索之后，這一點(diǎn)或許行將改變。深藏地下的數個(gè)實(shí)驗最近可能——僅僅是可能——看到了暗物質(zhì)的信號。與此同時(shí)，在太空中，探測器正在追蹤可能是相同的暗物質(zhì)粒子在銀河系中碰撞并湮滅而發(fā)出的輻射。這僅僅是巧合，還是這些微弱的信號，果真來(lái)自相同的黑暗之手？
美國芝加哥大學(xué)的理論天體物理學(xué)家丹·胡珀（Dan Hooper）相信，我們可能已經(jīng)瞥見(jiàn)了暗物質(zhì)?！拔仪『檬悄切┏挚隙☉B(tài)度的極少數派之一，”他說(shuō)，“但我并不確定——我只是認為有可能?！比绻甑念A感是正確的，這些發(fā)現將挑戰我們對于暗物質(zhì)本質(zhì)的認識。這些占據宇宙物質(zhì)85%的東西，興許比我們先前想象的還要更加奇特。
由于不會(huì )發(fā)出望遠鏡能捕捉到的光，暗物質(zhì)因此得名。然而，無(wú)論我們往哪兒看，不管是微波背景輻射中的漲落還是尺度最大的星系團，都能看到它留下的引力印跡。如果大爆炸沒(méi)有創(chuàng )造出充足的暗物質(zhì)，就沒(méi)有足夠的引力使得氣體和塵埃坍縮成恒星和星系。沒(méi)有了暗物質(zhì)，轉動(dòng)的銀河系就會(huì )解體?！鞍滴镔|(zhì)是構建星系的骨架，”美國加利福尼亞大學(xué)歐文分校的宇宙學(xué)家詹姆斯·布洛克（James Bullock）說(shuō)，“沒(méi)有它們，我真的不認為在宇宙中會(huì )存在多少結構?！?/p>
天文學(xué)家發(fā)現了它，宇宙學(xué)家勘測了它，最熱衷于了解它們的卻是粒子物理學(xué)家。他們知道，暗物質(zhì)有著(zhù)本質(zhì)上的差異，游離于描述可見(jiàn)宇宙中粒子和作用力的標準模型之外。許多科學(xué)家相信，暗物質(zhì)是一扇通往未知世界的窗戶(hù)。但它們是什么呢？
暗物質(zhì)的頭號候選者是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）。我們懷疑它們和可見(jiàn)物質(zhì)間僅有引力和弱核力作用。盡管弱核力作用很弱，但我們仍然可以通過(guò)它探測到WIMP。在針對它們所進(jìn)行的幾十年的搜索中，暗物質(zhì)獵人們采取了3種互補的手段：直接探測、間接探測，以及對撞機。
低溫暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗（CDMS）是直接探測的代表——也是可能找到暗物質(zhì)的實(shí)驗之一。它的想法是，在銀河系中穿行的數十億個(gè)WIMP中，總該會(huì )有某一個(gè)與探測器中的某個(gè)原子核發(fā)生相互作用，非常輕微地推它一下。CDMS的夾心標靶由傳感器之間的硅和鍺構成，它們會(huì )記錄下電子以及由這些碰撞所產(chǎn)生的微弱振動(dòng)。為了保護這些探測器免受背景干擾輻射的影響，CDMS的團隊將它安置在美國明尼蘇達州一個(gè)地下700米深的礦井里。它們會(huì )被冷卻到距離絕對零度僅有百分之一度，從而把熱噪聲降到最低。
2013年4月，CDMS團隊公布了硅中發(fā)生的、可能是WIMP的3次碰撞。這些粒子的質(zhì)量為8 GeV（10億電子伏特），是質(zhì)子質(zhì)量的大約8倍。不過(guò)，僅有的3次碰撞，不足以讓科學(xué)家確信。
不過(guò)，CDMS的發(fā)現為暗物質(zhì)搜索添加了額外的變數。原因在于，這些結果與同在美國明尼蘇達礦井中的CoGeNT實(shí)驗相符，后者在2011年觀(guān)測到了有著(zhù)相同質(zhì)量的粒子。和CDMS一樣，CoGeNT并沒(méi)有觀(guān)測到足夠數量的事件來(lái)得出全然的結論。不過(guò)，把這些結果匯總到一起，卻耐人尋味。尤其是，CoGeNT最初的目標之一便是平息暗物質(zhì)圈里聲名狼藉的一個(gè)議題，即所謂的DAMA/LIBRA異常。
DAMA/LIBRA實(shí)驗位于意大利巨石峰國家公園地下1400米處，已經(jīng)運轉了超過(guò)10年。它的探測器測量到了一個(gè)會(huì )隨著(zhù)季節起伏的信號，就好像地球繞太陽(yáng)公轉的過(guò)程中，在暗物質(zhì)海里穿行一樣。DAMA/LIBRA暗示，暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量在10 GeV左右，與CDMS與CoGeNT的結果相似。對于這一信號的來(lái)源，科學(xué)家各執一詞，不過(guò)沒(méi)有人對DAMA/LIBRA探測到信號的強度表示懷疑——用物理學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，它的標準偏差達到了8.9個(gè)σ，高于宣稱(chēng)發(fā)現所需的5個(gè)σ的水平。
然而，多年來(lái)一直沒(méi)有人相信是暗物質(zhì)導致了DAMA/LIBRA的結果，因為當時(shí)它只此一家。之后，CoGeNT出場(chǎng)了，領(lǐng)導這個(gè)實(shí)驗團隊的是美國芝加哥大學(xué)的胡安?科勒（Juan Collar）。令他和其他人同樣驚訝的是，CoGeNT并沒(méi)有排除DAMA/LIBRA的發(fā)現。他說(shuō)：“我們非但沒(méi)有否定掉DAMA的結果，相反，我們還在低能段上發(fā)現了一個(gè)我們無(wú)法解釋的數值增量，還發(fā)現了一些周年變化的線(xiàn)索?！盋oGeNT團隊很快就會(huì )發(fā)表他們?yōu)槠?年的觀(guān)測結果?！拔覜](méi)辦法告訴你那是什么，”科勒說(shuō)，“但我可以告訴你這些數據很有意思?！?/p>
另一個(gè)問(wèn)題是，幾十年來(lái)理論學(xué)家一直鐘愛(ài)較重的WIMP，質(zhì)量在100 GeV左右。這些較重的WIMP是超對稱(chēng)以及其他試圖超越標準模型的理論的自然產(chǎn)物。而較輕的WIMP與它們的許多預期相抵觸。
不過(guò)，最大的問(wèn)題在于，世界上最大且最靈敏的直接探測實(shí)驗XENON至今仍一無(wú)所獲，令所有這些發(fā)現疑云重重。XENON團隊就像一個(gè)過(guò)分熱忱的清道夫，已經(jīng)排除了一個(gè)又一個(gè)潛在的觀(guān)測結果，包括絕大多數質(zhì)量為10 GeV的WIMP。正如他們用物理學(xué)中的外交辭令所說(shuō)，在XENON的否定結果和其他實(shí)驗的結果之間，“關(guān)系緊張”。
禁區
領(lǐng)導XENON合作項目的埃琳娜·阿普里爾（Elena Aprile）深切地感受到了這一緊張的氣氛。她說(shuō)：“排除了一個(gè)又一個(gè)，同時(shí)卻什么也沒(méi)發(fā)現，這是一場(chǎng)噩夢(mèng)?！彼Ｍ约簣F隊的結果可以挑戰其他的實(shí)驗，來(lái)建造更大更好的探測器，發(fā)現或排除質(zhì)量更小的粒子，甚至排除更弱的相互作用。她的團隊正在建造一個(gè)比XENON靈敏100倍的探測器，預期會(huì )在2015年投入運轉。
不過(guò)，認為WIMP就位于7～10 GeV之間的科學(xué)家并沒(méi)有放棄。他們知道每一個(gè)實(shí)驗的結論都建立在一些理論假設之上，這些假設包括：WIMP如何與不同原子核相互作用、暗物質(zhì)在銀河系中的分布和速度，以及每個(gè)探測器的響應能力。例如，在一篇最近的論文中，胡珀提出，如果XENON探測器的響應能力與預期稍有不同，它的結果就能支持其他的實(shí)驗。他希望，將于2013年底開(kāi)始運轉的世界上最靈敏的暗物質(zhì)探測器LUX，可以解決這一爭議。
最輕的WIMP還得到了來(lái)自太空的支持。幾個(gè)儀器正在搜尋暗物質(zhì)粒子碰撞和湮滅的信號。這些間接探測尋找的是γ射線(xiàn)中的獨有特征，或者說(shuō)是在湮滅中所產(chǎn)生的反物質(zhì)。最有希望的觀(guān)測之一，來(lái)自費米γ射線(xiàn)空間望遠鏡。2010年，它在銀河系銀盤(pán)的上下兩側發(fā)現了兩個(gè)高達25000光年的巨大γ射線(xiàn)泡。雖然可能有著(zhù)其他的源頭，但胡珀和美國麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家特蕾西·斯萊特爾（Tracy Slatyer）認為，這兩個(gè)泡所呈現出的，正是7～10 GeV暗物質(zhì)粒子的湮滅。
但是，間接探測也有它們共同的缺陷。曾經(jīng)有一個(gè)費米的信號被鼓吹成是“確鑿的證據”，但在更多的測量之后漸漸凋零了。PAMELA衛星和國際空間站上阿爾法磁譜儀（AMS）的信號表明，暗物質(zhì)粒子應該是大質(zhì)量的，來(lái)自另一個(gè)γ射線(xiàn)衛星的結果卻認為，WIMP的質(zhì)量應該只有前者的千分之一。
最后，如果WIMP確實(shí)存在，它應該可以在粒子的高能碰撞中被制造出來(lái)。這意味著(zhù)，它們應該會(huì )在大型強子對撞機中現身。然而，到目前為止，我們什么也沒(méi)看到。
面對如此不知所措的局面，每個(gè)人都同意，需要更多的時(shí)間來(lái)收集數據，并且建造更大更好的探測器?！拔覀兿Ｍ?00%地確定我們所說(shuō)的話(huà)，”AMS實(shí)驗的副發(fā)言人羅伯托·巴蒂斯頓（Roberto Battiston）說(shuō)。
雖然像阿普里爾這樣的實(shí)驗物理學(xué)家把沒(méi)有發(fā)現WIMP說(shuō)成是“一場(chǎng)噩夢(mèng)”，許多理論物理學(xué)家卻聞到了這個(gè)領(lǐng)域散發(fā)出來(lái)的混亂氣息?！盀榱私鉀Q暗物質(zhì)謎題，對于暗物質(zhì)可能是什么，我們必須盡可能地拓寬思路，”美國密歇根大學(xué)的高能理論物理學(xué)家凱瑟琳·祖瑞克（Kathryn Zurek）說(shuō)。
祖瑞克和其他人正在研究豐富得多的暗成分，包含有多種暗物質(zhì)粒子和相互作用，甚至還有暗原子、暗化學(xué)，乃至一個(gè)完全和我們一一對應的鏡像宇宙。
英國杜倫大學(xué)的席琳·波姆（Celine Boehm）率先研究了一個(gè)想法，在最簡(jiǎn)單的模型中加入一種新的暗作用力，這會(huì )讓暗物質(zhì)粒子間發(fā)生相互作用，使得暗成分會(huì )包含有暗電磁作用和暗光。在量子理論中，電磁力需要光子來(lái)傳遞，波姆的想法也暗示了暗光子的存在?！鞍倒庾訒?huì )是一種超越我們目前已知范疇的自然界作用力，”美國紐約州立大學(xué)石溪分校的粒子物理學(xué)家魯文·埃西格（Rouven Essig）說(shuō)。
從可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)如何從大爆炸中創(chuàng )生，到星系和更大尺度的結構如何形成，暗作用力都會(huì )產(chǎn)生重大的影響。在2008年的一篇論文中，斯萊特爾和理論物理學(xué)家尼瑪·阿卡尼－哈米德（Nima Arkani-Hamed）、道格拉斯·芬克拜納（DouglasFinkbeiner）以及尼爾·韋納（Neal Weiner）一起提出，一個(gè)長(cháng)程的暗作用力可以增大暗物質(zhì)碰撞的概率，漂亮地解釋DAMA/LIBRA、PAMELA以及有關(guān)的發(fā)現?！凹僭O暗成分有著(zhù)自己的相互作用力，是完全合理的，”韋納說(shuō)，“把它加進(jìn)來(lái)，你會(huì )發(fā)現它同時(shí)能解釋很多東西，這是它的優(yōu)點(diǎn)?！?/p>
這打開(kāi)了一扇通往各種可能性的大門(mén)。美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維·卡普蘭（David Kaplan）提醒，暗作用力也暗示了暗電荷，它可以構成暗原子、類(lèi)氫化學(xué)，可能還有暗恒星。2013年初，美國哈佛大學(xué)的安德雷·卡茨（Andrey Katz）及其同事甚至提出，一些暗原子會(huì )冷卻并位于星系盤(pán)中。這一“雙盤(pán)暗物質(zhì)”可以解釋一些實(shí)驗中的異?，F象，并且應該易于檢驗。
暗光
暗反物質(zhì)也是可能的。根據由卡普蘭、祖瑞克和美國加州大學(xué)戴維斯分校的馬庫斯·魯蒂（Markus Luty）所提出的一個(gè)理論，早期宇宙中普通反物質(zhì)和暗反物質(zhì)間的聯(lián)系，可以漂亮干脆地解釋我們現在所觀(guān)測到的暗物質(zhì)數量。
這一切中最激動(dòng)人心的或許是，我們有可能在實(shí)驗室中制造出暗光。加拿大多倫多大學(xué)的理論物理學(xué)家鮑勃·霍爾敦（Bob Holdom）在1986年證明，暗光子可以與普通光子和電子發(fā)生相互作用，一些科學(xué)家由此認為，暗光子會(huì )比更重的暗物質(zhì)粒子更易于探測。德國美因茨大學(xué)的實(shí)驗物理學(xué)家哈拉爾德·默克爾（Harald Merkel）說(shuō)：“暗光子可以非常輕，已有的加速器就能發(fā)現它?！?/p>
這一前景激勵了大批歐洲和美國的實(shí)驗物理學(xué)家。默克爾正在進(jìn)行的美因茨電子回旋加速器實(shí)驗，已經(jīng)展開(kāi)了對暗光子的搜尋，但迄今還什么都沒(méi)有看到?！叭绻覀儼l(fā)現了什么，你會(huì )知道的，”默克爾說(shuō)，“這會(huì )和發(fā)現希格斯玻色子同樣重要。它將會(huì )開(kāi)啟新的物理學(xué)?！?/p>
在大西洋的另一側，3個(gè)實(shí)驗——暗光（DarkLight）、APEX和重光子搜尋——已經(jīng)在美國杰斐遜實(shí)驗室通過(guò)了初步測試。它們每一個(gè)都對不同的質(zhì)量范圍敏感，因此這3個(gè)實(shí)驗可以相互補充。在杰斐遜實(shí)驗室的加速器完成升級投入使用后，重光子搜尋將于2015年開(kāi)始收集數據，APEX和暗光實(shí)驗會(huì )緊隨其后。該實(shí)驗室的高能粒子物理學(xué)家約翰·杰羅斯（John Jaros）提醒說(shuō)，即便這些實(shí)驗發(fā)現了暗光子，尋找到它們和暗物質(zhì)的聯(lián)系仍會(huì )是個(gè)挑戰。
這些瘋狂的實(shí)驗都提出一個(gè)問(wèn)題：怎么樣才能宣布發(fā)現了暗物質(zhì)？科學(xué)家都同意，對暗物質(zhì)粒子或者作用力令人信服的發(fā)現，至少需要2個(gè)不同的實(shí)驗在質(zhì)量及與普通物質(zhì)相互作用的強度上給出完全一致的結果，而且具有很高的統計置信度。對此，科勒還補充了2點(diǎn)?！霸诶硐肭闆r下，加速中應該要能人為地制造出與之相容的暗物質(zhì)，”他說(shuō)，“而且，最重要的是，可以解釋這一粒子的理論還必須要能給出其他可以檢驗的預言?！?/p>
無(wú)論這些實(shí)驗會(huì )發(fā)現什么，用美國普渡大學(xué)的物理學(xué)家拉斐爾?蘭（Rafael Lang）的話(huà)來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)正在引發(fā)一場(chǎng)“新哥白尼革命”。如果暗物質(zhì)粒子被發(fā)現了，它將是為攀登暗成分這座大山漫長(cháng)而艱辛旅程打下的第一枚巖釘。如果沒(méi)有發(fā)現，那么很快，從引力如何作用到超越標準模型的整個(gè)物理學(xué)，一切都將陷于混沌。
編譯自：《新科學(xué)家》，Out of the shadows: Picking up hints of dark matter
