還是沒有暗物質

苗千

2016年7月21日在英國伯明翰，第11屆尋找暗物質大會（11th Identification of Dark Matter Conference）上，一個最新公布的消息難免讓很多粒子物理學家感到失望：被寄予厚望的LUX暗物質探測實驗在一份聲明中承認，依然沒有發現暗物質粒子的蹤跡。

LUX項目的聯合發言人、來自布朗大學的物理學家里克·蓋茨克爾（Rick Gaitskell）說：“我們給了暗物質粒子各種機會出現，但是它還是選擇不出現。”

LUX暗物質探測實驗是“大型地下氙暗物質實驗”（Large Underground Xenon Dark-matter Experiment）的簡稱，在過去幾年里，它是人類尋找暗物質大質量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，簡稱WIMP粒子）的最大希望，因為它是迄今為止人類最靈敏的暗物質探測實驗。科學家們花費了700萬美元，用了幾年的時間，把一個巨大的WIMP粒子探測器安置在美國南達科他州地下1.6公里的一個廢棄金礦中。

LUX暗物質探測器的設計不可謂不考慮到了方方面面。放置在這么深的地下進行探測，是為了阻擋來自宇宙空間的高能量宇宙射線擊中探測器產生出類似暗物質粒子的信號。不僅如此，在地下27.25萬升純凈水的包裹之中，一個1.8米高的鈦罐中放置了302公斤的液態氙，并在周圍布置了靈敏的光探測器。在這樣嚴密的設計之下，理論上只有構成了暗物質的WIMP粒子才能夠穿過層層阻隔，在極個別的情況下與氙原子核相撞，并發出閃光，這樣的閃光有可能被光探測器所感知，這也將是探測到暗物質WIMP粒子的關鍵證據。

從2014到2016年歷時20個月的探測之后，LUX項目終于告一段落。進行了仔細的數據分析后，LUX項目的成員之一、倫敦大學學院的物理學家桑杜·蓋格（Chamkaur Ghag）評論說：“盡管一種確定的信號會更受歡迎，但是大自然并不那么友善。”現在看來，在意識到暗物質的存在幾十年之后，人類對于這種神秘物質的特性，甚至是最基本的構成方式，仍然知之甚少。

人類從宇宙觀測中意識到暗物質的存在已經有幾十年的時間，這種神秘的物質似乎除了為宇宙貢獻出自己的質量之外不熱衷于任何相互作用。它們負責提供足夠的引力以把星系聚合在一起，宇宙中物質質量的五分之四由暗物質貢獻。人類利用引力透鏡等方式，可以在大的尺度上畫出暗物質的分布地圖，但是問題依然存在：暗物質到底是什么？

粒子物理學家們依照他們所熟悉的普通物質的構成方式，認為暗物質也是由某種基本粒子構成，并為這種基本粒子建立了各種模型。在諸多的暗物質基本粒子模型中，WIMP粒子模型在目前最為流行，這種模型假設暗物質是由一種質量為質子的10至100倍的質量較大、運動緩慢，不參與強相互作用，只參與弱相互作用的基本粒子——WIMP粒子構成。與中微子類似，每秒鐘都有數十億的彌漫在宇宙空間內的WIMP粒子穿過我們的身體而不被察覺。

為了探測理論上的WIMP粒子，摘下這顆粒子物理學領域的明珠，世界上很多實驗室都建設了各自的暗物質探測器，這些探測器大多被埋藏在地下。幾年來，各個暗物質探測實驗偶爾會傳出消息，聲明發現了可疑的WIMP粒子信號，但是又沒有任何一個實驗可以確定。LUX項目也正是建立在2013年一項失敗的暗物質探測項目之上。物理學家改造了原來的實驗設備，把探測器的靈敏度提高了4倍，成為世界上最靈敏的暗物質探測器。進行實驗的科學家們相信LUX項目的靈敏度已經超出了實際所需，因此，只要有WIMP粒子經過實驗的地點，“幾乎一定”會被發現。

正因為被寄予厚望，LUX項目的一無所獲也就更讓人感到失望，這也說明了此前關于WIMP粒子的疑似信號全部都不可信——除非是非常奇異的暗物質粒子，單單出現在某些探測器中而避開了LUX探測器。不過從另一個角度來說，沒有發現也算是一個發現，這說明目前人類的WIMP暗物質粒子模型必須隨之改變，而人類探測暗物質的實驗方式也必須隨之改變。人類多年來探測僅存于理論中的WIMP粒子而一無所獲，是否說明理論模型存在根本性錯誤？大多數粒子物理學家現在還并不急于拋棄WIMP粒子的假設，但是LUX的一無所獲已經為WIMP粒子存在的條件加上了極大的限制。

作為LUX項目的繼續，物理學家們正在建設一個更加靈敏的暗物質探測實驗，這個被稱為“Lux-Zeplin”（簡稱“LZ”）的暗物質探測項目與LUX項目類似，仍然是在地下進行，被27.25萬升純凈水所包裹，但是其中進行WIMP粒子探測的純度更高的液態氙將增加到10噸，它的靈敏度將是LUX項目的70倍。此前物理學家們認為WIMP粒子可能是一種較重的粒子，但是現在看來，如果真的存在的話，WIMP粒子可能比此前人們預想的要輕得多。如果說此前人們尋找的是保齡球，那么從此之后物理學家們就該轉而尋找乒乓球。

如果LZ實驗仍然找不到WIMP粒子怎么辦？芝加哥大學的物理學家胡安·科勒（Juan Collar）對此感到有些悲觀。盡管目前WIMP粒子模型仍然是最受粒子物理學家們所信賴的模型，但是如果WIMP粒子仍不出現，很多暗物質模型將被放棄，很多物理學家會不得不轉而去探索暗物質的其他可能形式。

物理學家們可以建立各種數學模型來描述我們的宇宙，為神秘的暗物質設想出各種基本粒子，但是一切模型畢竟都需要經受實驗的檢驗。實際上，人們至今仍然不了解暗物質的基本組成方式，它也有可能是以一種人們現在并不理解的方式存在和聚合在一起的。美國航空航天局的科學家在2015年對銀河系內的天體運行軌跡進行模擬時，發現暗物質也可能是以一種“細粒流”，類似于頭發絲的方式存在。

暗物質之謎，已經成為物理學最大的謎團之一。現在看來，要揭示暗物質的真實身份，還需要人類進行更多更久的探索，這將是很多粒子物理學家為之奉獻一生的課題。