暗物質(zhì)就在你身后

謝懿

2014年8月4日夜，月亮已經(jīng)落下，天空一片黑暗。約翰內(nèi)斯·埃澤爾和馬特·羅登凱爾正坐在一架直升機(jī)上，位于加拿大安大略省上空3000米的地方。羅登凱爾通過(guò)耳機(jī)向飛行員發(fā)出指示，他希望直升機(jī)能在攜帶他們實(shí)驗(yàn)裝置的氣球下方繞圈飛行。麻煩的是，這個(gè)氣球正飄浮在地球大氣層的邊緣處，距離地面近35千米。

在羅登凱爾指示飛行員的同時(shí)，埃澤爾沿著水平方向向外發(fā)射肉眼看不見(jiàn)的紫外線激光。這兩位物理學(xué)家希望氣球中的檢測(cè)器能探測(cè)到被空氣中的氮分子和氣溶膠散射出的激光。這一切都是在全黑的條件下進(jìn)行的。直升機(jī)和氣球上都沒(méi)有燈：埃澤爾和羅登凱爾擔(dān)心光子會(huì)干擾探測(cè)器。

這個(gè)特技飛行聽(tīng)上去就像是007電影的情節(jié)，但它的目的卻是測(cè)試一臺(tái)有朝一日可能會(huì)被部署到國(guó)際空間站的儀器。之前還沒(méi)有人做過(guò)類似的事。“我當(dāng)時(shí)很緊張，不知道它是否能正常工作。”美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的博士生埃澤爾說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是儀器工作正常。“這是一個(gè)巨大的成功，”埃澤爾說(shuō)，“意味著我們現(xiàn)在已越來(lái)越接近來(lái)自宇宙誕生之初的粒子。”

1998年，來(lái)自美國(guó)芝加哥大學(xué)、密歇根大學(xué)和歐洲核子研究中心的三位科學(xué)家發(fā)表了一篇論文，標(biāo)題是《巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子》。這篇論文提出，空間中可能充滿了具有超大質(zhì)量的粒子，它們的質(zhì)量是質(zhì)子的至少1萬(wàn)億倍。提出這一粒子是為了解釋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是宇宙中不可見(jiàn)的神秘成分，天文學(xué)家相信，它們占據(jù)了宇宙物質(zhì)組成的絕大部分。

對(duì)星系運(yùn)動(dòng)和星系團(tuán)中星系的觀測(cè)給出了暗物質(zhì)存在的最有力證據(jù)。如果宇宙中僅存在普通物質(zhì)，那么星系和星系團(tuán)在很久以前就會(huì)分崩離析——它們沒(méi)有足夠的質(zhì)量，因此也就沒(méi)有足夠的引力來(lái)維系自己。于是，必定存在大量的暗物質(zhì)。我們的最佳估計(jì)表明，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙物質(zhì)組成的85%至90%。但是，它們主要通過(guò)引力——最微弱的基本作用力——發(fā)生相互作用，使得它們難以被探測(cè)到。

理論和觀測(cè)告訴我們這些物質(zhì)會(huì)是什么樣子。受青睞的一類候選粒子被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子。理論上我們有理由相信它們的存在，例如，在宇宙早期產(chǎn)生這些粒子的假設(shè)能夠被我們對(duì)宇宙的觀測(cè)證實(shí)，其作用與天文觀測(cè)的結(jié)果相符。這正是它們至今仍是暗物質(zhì)搜尋的重心的原因。不過(guò)，雖然已經(jīng)有了這些誘人的暗示，但始終還是沒(méi)有確切證據(jù)。

例如，由暗物質(zhì)大碘化鈉容量罕見(jiàn)過(guò)程搜尋（DAMA/LIBRA）實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果。在意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)運(yùn)行了近20年。它使用一組碘化鈉晶體陣作為標(biāo)靶，當(dāng)有弱相互作用大質(zhì)量粒子撞擊它時(shí)，就會(huì)發(fā)出一道微弱的光線。每年6月，它的信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)奇怪的峰值。如果地球在繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中定期穿過(guò)一片弱相互作用大質(zhì)量粒子的海洋，就會(huì)看到這種現(xiàn)象。這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于探測(cè)器的噪音水平，讓一些物理學(xué)家興奮不已。更重要的是，另一個(gè)被稱為相干鍺中微子技術(shù)（CoGENT）的實(shí)驗(yàn)也觀測(cè)到了類似的年度變化，不過(guò)后者的結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上并不顯著。

但問(wèn)題是，如果這些信號(hào)確實(shí)是由暗物質(zhì)引起的，那么其他眾多的暗物質(zhì)探測(cè)器也應(yīng)該能看到它。“老實(shí)說(shuō)，我不知道DAMA看到的是什么，”美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的丹·胡珀說(shuō)，“他們的信號(hào)存在明顯的周年變化，但我敢確信這不是暗物質(zhì)。”

更重要的是，如果弱相互作用大質(zhì)量粒子就是暗物質(zhì)的話，那么歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)至少應(yīng)該在粒子的碰撞中找到一些線索。然而，現(xiàn)在什么都沒(méi)有。

我們會(huì)不會(huì)找錯(cuò)了粒子？“大自然有自己的想法，也許暗物質(zhì)并不是弱相互作用大質(zhì)量粒子，”美國(guó)芝加哥大學(xué)的安吉拉·奧林托說(shuō)，“沒(méi)有證據(jù)說(shuō)那一定是弱相互作用大質(zhì)量粒子。”

這激起了對(duì)暗物質(zhì)其他解釋的探求。“現(xiàn)在是時(shí)候探索其他方案了。”韓國(guó)成均館大學(xué)的暗物質(zhì)獵人卡斯滕·羅特說(shuō)。巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子和其他類型的超重暗物質(zhì)粒子是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。然而，它們也面臨一個(gè)沉重的問(wèn)題：創(chuàng)造這些粒子需要大量的能量——遠(yuǎn)超創(chuàng)造弱相互作用大質(zhì)量粒子所需的。事實(shí)上，只有在大爆炸之后瞬間溫度和密度都極高的暴脹時(shí)期才能提供其所需能量。

直到最近，我們?nèi)詿o(wú)法確定暴脹時(shí)期是否具有足夠的能量。然而，通過(guò)綜合兩臺(tái)研究宇宙微波背景——大爆炸遺留下的輻射——的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以對(duì)它的能標(biāo)給出一個(gè)上限。南極的BICEP2射電望遠(yuǎn)鏡和歐空局的普朗克衛(wèi)星的探測(cè)結(jié)果表明，暴脹時(shí)期具有高達(dá)1億億億電子伏特的能量，足以創(chuàng)造出超重暗物質(zhì)粒子。

在暴脹期間，得益于假想中的粒子——暴脹子，宇宙會(huì)經(jīng)歷指數(shù)式的膨脹。產(chǎn)生超重暗物質(zhì)粒子的一種可能便是由暴脹子衰變而成。從理論上講，一個(gè)暴脹子可能會(huì)衰變成超重暗物質(zhì)粒子或其他粒子。

另一種產(chǎn)生機(jī)制則類似于在目前的宇宙中發(fā)生的事件。今天，真空中充滿變化的電磁場(chǎng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，質(zhì)量和能量是等價(jià)的，這些電磁場(chǎng)可以自發(fā)地創(chuàng)生出粒子，例如電子和它自身的反物質(zhì)——正電子。在暴脹時(shí)期，劇烈波動(dòng)的引力場(chǎng)可能也會(huì)創(chuàng)造出粒子。由于涉及的能量極為巨大，這些粒子的質(zhì)量也會(huì)非常大。

今天的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電子和正電子會(huì)和對(duì)方發(fā)生湮滅，以能量的形式消失得無(wú)影無(wú)蹤。但是，超重暗物質(zhì)粒子不會(huì)湮滅。只要這些劇烈變化的引力場(chǎng)仍然存在，空間中就不斷地產(chǎn)生這些粒子。隨著時(shí)空的膨脹，這些粒子會(huì)成為物質(zhì)的一部分，擴(kuò)散到宇宙的各個(gè)角落，不過(guò)我們依然探測(cè)不到它們。那么，怎樣才能找到它們呢？

在誕生后的瞬間宇宙發(fā)生了急劇膨脹，被稱為暴脹。

要想找到答案必須克服重重困難。考慮到宇宙中這些暗物質(zhì)的量，相比于弱相互作用大質(zhì)量粒子，這些巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子要少得多。“做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算。當(dāng)它們的質(zhì)量很大的時(shí)候，就不會(huì)非常多。”胡珀說(shuō)，“如果我想要1000克的石頭，只會(huì)有一塊。但是，如果我想要1000克的回形針，就會(huì)有很多很多。”更重要的是，我們沒(méi)有辦法讓一個(gè)巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子或其他超重暗物質(zhì)粒子直接與地球上的檢測(cè)器發(fā)生作用：它們會(huì)徑直通過(guò)普通物質(zhì)。因此，我們必須依靠間接檢測(cè)，搜尋它們衰變的產(chǎn)物，例如光子、質(zhì)子和中微子。這里假設(shè)了這些粒子最終會(huì)衰變。“如果它們根本不會(huì)衰變的話，我們就會(huì)處于困境：它們就在那里，卻難以發(fā)現(xiàn)它們。”奧林托說(shuō)。

如果它們確實(shí)會(huì)衰變，我們應(yīng)當(dāng)能夠探測(cè)到有關(guān)的產(chǎn)物。超重暗物質(zhì)粒子的大質(zhì)量意味著它的衰變產(chǎn)物會(huì)具有極高的能量。這是個(gè)好消息，因?yàn)槲覀冎廊绾巫粉欉@些超高速的粒子。事實(shí)上，位于南極的冰立方中微子天文臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始這方面的工作，并發(fā)現(xiàn)了一些有意思的線索。

在過(guò)去的幾年中，冰立方已觀測(cè)到了137個(gè)能量達(dá)到幾十萬(wàn)億電子伏特的中微子以及3個(gè)能量高達(dá)幾千萬(wàn)億電子伏特的中微子。這3個(gè)能量最高的中微子很有趣，因?yàn)樗鼈冇锌赡苁浅匕滴镔|(zhì)粒子的衰變產(chǎn)物。

還沒(méi)有人知道這些中微子來(lái)自哪里。我們知道，超新星爆發(fā)、伽馬射線暴和活躍星系核都會(huì)產(chǎn)生中微子。然而，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，這些源產(chǎn)生的中微子能量越高，其數(shù)目就會(huì)越少。物理學(xué)家尚不知道有什么天體物理源能產(chǎn)生能量達(dá)萬(wàn)億電子伏特甚至千萬(wàn)億電子伏特的中微子。這些能量最高的中微子似乎都來(lái)自別的東西。這可能是統(tǒng)計(jì)上的波動(dòng)，但也可能不是。“它們興許出自暗物質(zhì)粒子的衰變。”羅特說(shuō)。

如果這些能量最高的中微子的確是超重暗物質(zhì)粒子衰變的產(chǎn)物，那會(huì)是幸運(yùn)的事情。羅特的研究小組計(jì)算發(fā)現(xiàn)，超重暗物質(zhì)粒子有著長(zhǎng)得令人難以置信的平均壽命，比宇宙的年齡還大。其中一些的壽命會(huì)比這還長(zhǎng)得多，但另一些則隨時(shí)都有可能發(fā)生衰變。“這無(wú)疑是一個(gè)有趣的想法，我們應(yīng)該時(shí)刻留意。”他說(shuō)。

冰立方未來(lái)的觀測(cè)會(huì)有助于確認(rèn)這個(gè)理論。如果這些高能中微子以及它們與低能中微子之間的能量間距仍然存在，將會(huì)增強(qiáng)其特殊起源的可能性，如超重暗物質(zhì)粒子。

除此之外，還有另一種探測(cè)超重暗物質(zhì)粒子的方式。當(dāng)這些粒子發(fā)生衰變時(shí)，還可能釋放出超高能宇宙射線。通過(guò)合適的探測(cè)器，我們就可以探測(cè)到這些副產(chǎn)物。

從理論上講，有幾個(gè)探測(cè)器可以完成這個(gè)任務(wù)：位于阿根廷草原上占地3000平方千米的皮埃爾·奧熱天文臺(tái)，以及美國(guó)猶他州沙漠中占地約800平方千米的望遠(yuǎn)鏡陣列。到目前為止，還沒(méi)有看到任何超高能宇宙射線。不過(guò)，這也可能是由于這些探測(cè)器還不夠大造成的。

位于南極的冰立方中微子天文臺(tái)：冰上部分為實(shí)拍圖像，冰下部分為虛擬示意圖。

當(dāng)超高能宇宙射線粒子轟擊地球大氣層的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生粒子簇射。粒子簇射貌似很容易探測(cè)，但其實(shí)是非常罕見(jiàn)的事件。平均來(lái)說(shuō)，每個(gè)世紀(jì)每平方千米上出現(xiàn)的這類粒子還不足一個(gè)。因此，地面上的探測(cè)器還不足以用來(lái)觀測(cè)地球大氣層的簇射。根據(jù)奧林托的計(jì)算，更好的辦法是將探測(cè)器送入太空鳥(niǎo)瞰地球，這樣的話，它能觀測(cè)的區(qū)域是目前最大的地面宇宙射線探測(cè)器皮埃爾·奧熱天文臺(tái)能觀測(cè)到的50倍至250倍。

而這也正是埃澤爾及羅登凱爾冒險(xiǎn)飛行的目的。在太空邊緣的這個(gè)氣球是國(guó)際空間站上的實(shí)驗(yàn)?zāi)K——極端宇宙空間天文臺(tái)（JEM-EUSO）的測(cè)試臺(tái)。奧林托是這個(gè)項(xiàng)目的首席科學(xué)家，正在和她的團(tuán)隊(duì)一起測(cè)試其原型機(jī)。

2014年8月的飛行是為了確定氣球上的探測(cè)器是否能看到空氣分子散射出的紫外線激光。JEM-EUSO上的探測(cè)器最終將尋找超高能宇宙射線轟擊地球上層大氣所產(chǎn)生的類似輻射。現(xiàn)如今，最初的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功，下一步是在美國(guó)航空航天局可滯空數(shù)周的氣球上實(shí)驗(yàn)另一個(gè)原型機(jī)。“我們正在建造一個(gè)有效載荷，可以連續(xù)工作100天。”奧林托說(shuō)。他們的試飛計(jì)劃于2017年3月進(jìn)行。

到目前為止，還沒(méi)有人叫停對(duì)弱相互作用大質(zhì)量粒子的搜尋。但是，如果JEM-EUSO、冰立方或未來(lái)的中微子望遠(yuǎn)鏡看到了能量無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)天體物理學(xué)解釋的粒子，那么超重暗物質(zhì)粒子——無(wú)論是巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子還是其他的粒子——就會(huì)變得更加引人注目。也許，早期宇宙遺留下來(lái)的粒子恰恰就是宇宙的化石，為神秘的暴脹時(shí)期到底發(fā)生了什么提供更多的線索。

當(dāng)超高能宇宙射線粒子轟擊地球大氣層的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生粒子簇射。

暗物質(zhì)的有關(guān)數(shù)字

為了搜尋暗物質(zhì)湮滅的證據(jù)，在南極的冰面之下2500米處，冰立方中微子天文臺(tái)安裝了86根懸吊著探測(cè)器的纜繩。

如果存在，每秒會(huì)有數(shù)十億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過(guò)你的身體。在1年中，大約只有10萬(wàn)個(gè)暗物質(zhì)粒子會(huì)和你身體內(nèi)的原子發(fā)生相互作用。

為了屏蔽來(lái)自地表的輻射，大型地下氙探測(cè)器需要使用264979升的水作為防護(hù)。

宇宙的組成包括68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)和僅5%的普通物質(zhì)。

升級(jí)后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將以破紀(jì)錄的13萬(wàn)億電子伏特的能量來(lái)對(duì)撞粒子，尋找暗物質(zhì)的線索。