改變世界的“暗物質”

謝來

自去年7月，歐洲大型強子對撞機發現有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子存在的證據之后，該發現被譽為“半個多世紀以來最偉大的物理學成就之一”。10月初，2013年度諾貝爾物理學獎頒給了成功預測希格斯玻色子的兩位物理學家，可謂眾望所歸。繼此之后，多數科學家認為“暗物質”粒子可能成為下一個人類科學重大發現。

如果說證明“上帝粒子”的意義在于解釋亞原子粒子如何獲取質量，繼而最終形成我們所認知的世界，對“暗物質”的研究則是探尋我們未知的，從未曾看見的那個神秘世界。

暗物質究竟什么樣？

當地時間10月30日，美國桑福德地下研究中心發布了“暗物質”實驗——大型地下氙探測器（LUX）實驗的第一次數據收集研究結果。雖然在地球深處探尋“暗物質”的努力沒有見到任何成效，不過此次實驗才開始85天，科學家相信，他們已掌握一種更準確高效的方法，對“暗物質”的探尋將繼續下去。

這一漫長的探尋要追溯到80年前。1934年，瑞士天文學家弗里茲·茲威基在研究星系團中星系的軌道速度時，為解決“缺失的物質”問題而提出一個極富想象力的概念——“暗物質”。茲威基經過計算認為，星系的平均質量實際上比根據其亮度計算出的質量大160倍，這意味著絕大多數物質是不可見的。

起初，茲威基的結論沒引起重視，直到約40年后人們在研究星系中恒星運動時遇到類似的困難，“暗物質”的說法才逐漸獲得認可。通過觀測星系中恒星的公轉速度，也確認了星系中有大量“暗物質”存在。此外，引力透鏡、星系碰撞和宇宙微波背景輻射等的觀測都間接證實了“暗物質”的存在。

但“暗物質”究竟是什么“樣子”的？科學家們很難描述清楚。形狀、顏色、狀態，我們對已知物體的這些形容都不適用于它，它不會與光發生反應，看不見，目前無法被探測到，摸不著。不過，“暗物質”與普通物質之間會通過引力作用發生相互作用，就像茫茫宇宙中的一張縱橫交錯的透明巨網，只能通過引力“感覺”到它。

最有可能的“候選者”

到目前為止，科學家尚無法明確指出“暗物質”的基本構成。但多種推測中，其中一個非常有希望的理論是被稱作“大質量弱相互作用粒子”（WIMP）的候選體。在假設的理論中，預言這種粒子應該具有以下兩個特點：粒子只通過弱核力和引力產生相互作用，與普通粒子相比質量較大。

WIMP不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到。而且它們不參與強核力作用，與普通物質發生相互作用的幾率非常低。由于它們較大的質量，運動的速度相對緩慢，能夠成團聚集。這些特性使得WIMP被認為是最有可能的暗物質“候選者”。

由于這種粒子與普通物質的相互作用非常弱，只能產生較少能量，很難被現有科技水平的觀測工具探測到。因此，為尋找到WIMP粒子，物理學家可能通過放置在地下實驗室，背景噪聲減少到極低的探測器直接探測它們的存在；也可以通過地面或太空望遠鏡對這種粒子在星系中心，太陽中心或者地球中心湮滅產生的其他粒子來間接探測；人們同時還希望利用歐洲大型強子對撞機或者未來的國際直線加速器中人工“制造”出這些新粒子來。

地下實驗室“廣撒網”

據悉，全球各地已建起十幾個尋找“暗物質”的實驗室，科學家們廣撒網，卻似大海撈針，“暗物質”依然神龍見首不見尾。包括美國明尼蘇達州蘇丹煤礦的實驗室、加拿大的SNOLAB地下實驗室、意大利的大薩索國家實驗室、英國博爾比鹽礦中的精神實驗中心以及中國首個極深地下實驗室——中國錦屏地下實驗室。它于2010年12月在四川雅礱江錦屏水電站投入使用，其垂直巖石覆蓋達2400米，是當前世界巖石覆蓋最深的實驗室。

眾多搜索“暗物質”實驗室中，位于美國南達科他州的LUX項目是最為先進的一個，它位于被廢棄金礦改造的桑福德實驗室，研究者要乘坐此前運送礦工的電梯花10分鐘深入地下1600米才能抵達實驗室。之所以要選擇在如此深的地下，是因在此受到的宇宙射線干擾比地球其它地方都要少很多。實驗室目前仍在建設中，完全建成后其深度將超過2400米。

LUX實驗的原理是將一個重300公斤的液態氙容器作為“搜捕”“暗物質”的工具。液態氙屬于冷物質，重量是水的3倍。這個容器已被冷卻到零下101攝氏度。一旦當WIMP粒子偶爾撞上氙原子核時會釋放特定數量的能量，探測器就能發現其信號。

科學家表示，在LUX實驗首度運行的85天內沒有找到WIMP粒子撞擊的蛛絲馬跡。但他們并不灰心，實驗才剛剛開始，明年的全年都將繼續進行，而且LUX要比其他探測設備至少靈敏兩倍。項目參與者之一，布朗大學物理學教授理查德·蓋茲克爾表示：“我們在首次運行階段并沒觀測到任何證據，并不表明我們不會在第二階段有所收獲。”他相信，LUX實驗未來仍然光明，其將跨越更廣的范圍內進行搜索，并可能會發現較重暗物質的跡象。另一位科學家丹·麥肯錫說，LUX就像一臺機器，有能力搜查非常廣泛的“暗物質”候選者。

也可能根本走錯了方向

除了在地底尋找“暗物質”，科學家們也試圖在太空中捕捉它的蹤影。

2011年，哈勃望遠鏡拍攝到一組被稱為“暗物質對星系產生影響的最清晰照片”。其拍攝到的一個名MACS1206的巨大星系團就像宇宙中的“透鏡”，對其附近恒星的發出光線進行了扭曲。天文學家稱，這說明該星系主要由“暗物質”組成，因為如果僅由行星和恒星形成的如此規模的星系團是無法產生這種現象的。

將于2020年發射升空的歐幾里得空間望遠鏡則將放眼更遙遠的星空，花費6年時間對覆蓋全天1/3天區面積中超過20億個星系的形狀和位置進行精密測量，繪制更完整的宇宙的演變和它的結構圖，尋求“暗物質”在宇宙中存在并施加巨大影響的證據。不過望遠鏡看到的只能算是“疑似”暗物質的影響，證明其存在仍需其基本組成的確鑿證據。2011年被送往國際空間站的“阿爾法磁譜儀2”正是肩負著這個任務。這一項目由美國麻省理工學院華裔諾貝爾獎獲得者丁肇中負責，包括中國科學家在內的全球600多名科研人員參與了這一項目。“阿爾法磁譜儀2”無法對“暗物質”直接定位，但它具有在宇宙中找到“暗物質”粒子相撞后所產生的殘碎物的本領。它可以直接探測到通過其中的單個粒子，并測量粒子的速度和軌跡。

今年4月3日，丁肇中向全世界第一次公布了“阿爾法磁譜儀2”的實驗數據結果——在太空實際運轉中探測到40萬個正電子。比例上升是平衡的，沒有出現峰值。正電子來源沒有特定方向。“這些都支持正電子來源于暗物質，可是沒有完全的證據。”

丁肇中認為需要更多試驗數據進行研究。科學家們承認，盡管迄今為止的實驗都未獲得確鑿證據，可能是因設備敏感度不夠，但也可能根本走錯了方向。畢竟是在找一樣完全超出現有認知范疇的東西。但科學家們確信，不管以何種形式，“暗物質”確實存在，它對整個宇宙至關重要，即便看不見，證明其存在或將改變物理學的基本定律。正如紐約大學韋納教授說：“不弄明白暗物質，我們就錯失了宇宙的絕大部分。”