數百億美元的對撞機，也永遠找不到暗物質？

撰文 | Joseph Silk

翻譯 | 趙昌昊

編輯 | 吳非

探測暗物質

對於天文學家來說，暗物質與恆星、行星一樣，都是真實存在的物質。天文學家可以繪製暗物質分布圖，把一個個星系視為由「發光」的普通物質點綴著的暗物質雲團。借用暗物質，科學家還成功地解釋了宇宙結構是如何形成和演化的。然而，經過10多年的搜索，我們至今仍然沒能直接探測到暗物質。我們被籠罩在暗物質的雲團中，卻不知宇宙的暗面究竟為何物。

科學家早已確信，暗物質不是我們所熟知的任何一種普通物體或粒子。目前，理論研究傾向於認為暗物質由一種新粒子構成，這種粒子與普通粒子之間存在弱相互作用。大量暗物質粒子會在宇宙空間中穿行，甚至能夠穿透地球，因此我們有理由相信，總有一些暗物質粒子會在我們身邊留下蹤跡。物理學家將晶體放置在低溫探測器中，深埋於地下以便屏蔽掉普通粒子帶來的雜訊，靜靜等待探測器中的能量和閃光信號。這些信號將會暴露那些神秘的未知粒子的行蹤，然而截至目前，研究人員仍然一無所獲。在美國南達科他州利德市，大型地下氙探測器（Large Underground Xenon experiment, LUX）位於地下1.6千米深的一座廢棄金礦中，該裝置目前尚未得到任何探測結果。中國錦屏地下實驗室的「熊貓計劃」（PandaX）位於2.4千米厚的岩石之下，它也尚未探測到暗物質。在法國阿爾卑斯山下的弗雷瑞斯公路隧道中，EDELWEISS暗物質探測裝置位於地下1.7千米深處，同樣沒有任何結果。世界上還有其他一些暗物質探測實驗，均毫無收穫。

各項實驗都沒有得到結果，這使得暗物質所能夠存在的參數區間越來越小。面對實驗結果的荒原，理論物理學家假想了一些性質更加奇特的粒子，但這些粒子大部分都更難探測。在實驗上，我們還可以嘗試用粒子對撞機來製造暗物質，通過探測粒子的總能量是否呈現表觀上的減少，來判斷碰撞中是否有暗物質產生。歐洲核子中心的大型強子對撞機做了這項實驗，但尚未發現暗物質的蹤跡。一些理論物理學家懷疑，也許暗物質根本就不存在，而是目前的引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，誤導了我們。根據廣義相對論，如果星系中僅僅包含可見的普通物質，那麼其所產生的萬有引力將不足以維持星系的形態，星系中的物質會飛散到宇宙空間中去。誠然，廣義相對論可能有漏洞，但目前為止，它經受了所有的實驗檢驗，而能夠挑戰廣義相對論的理論則總是看上去包含有致命的缺陷。

目前，宇宙中85%的物質仍是人類未知的。更可怕的是，我們或許永遠都解不開這個謎題。

爭議結果

儘管大多數暗物質探測裝置都沒有得到任何結果，但有兩個實驗卻聲稱發現了暗物質。這兩個與眾不同的實驗結果均有爭議，很有可能是錯的，但也值得我們仔細審視。

義大利格蘭薩索（Gran Sasso）國家實驗室的DAMA/LIBRA粒子探測器位於山體之下1.4千米深的隧道中，用於探測暗物質粒子與碘化鈉晶體中的原子核碰撞、散射之後發出的閃光。它已經運轉了超過13年，其間觀測到了一個特別的現象：探測器的粒子計數率隨著季節變化而周期性地起伏，每年6月達到最大值，12月最小。

而暗物質探測恰恰應該呈現出這種季節周期性。根據目前的推斷，暗物質雲團包裹著整個銀河系，而我們的太陽系圍繞著銀河系的中心旋轉，正在穿過暗物質雲團。同時，地球又在圍繞著太陽公轉，因此地球相對於暗物質雲團的運動速度就會以1年為周期振蕩變化，這也就決定了暗物質粒子穿過地球上探測器的計數率，恰恰就是在6月達到最大，12月最小。

DAMA所探測到的粒子計數率的季節性變化確實呈現出很強的統計顯著性，但能夠導致計數率周期性變化的因素並不僅僅有暗物質粒子。地下水的流量同樣有著季節性周期變化，其中攜帶的放射性元素會影響探測器的背景雜訊。其他宇宙粒子，例如μ子，在大氣層中所產生的輻射也會呈周期性變化。此外，世界上另外5個實驗得出的暗物質參數區間與DAMA的結果不一致。不過，要想得到準確可靠的結論，最好的辦法是在其他地方用同種探測器複製DAMA的實驗。目前，幾處同樣的實驗裝置正在建設當中，其中一個位於南極，那裡自然環境的季節性變化與義大利正好相反，比較之下或許能夠得出有價值的結論。

關於暗物質的另一條線索來自一個間接實驗結果。義大利與俄羅斯聯合發射的人造地球衛星PAMELA原本是用於探測物質與反物質碰撞湮滅後產生的二級粒子，並非探測暗物質，但它在2008年意外地觀測到宇宙深處發射出大量的正電子（電子的反粒子）。近期，這個觀測結果得到了國際空間站上阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）的支持。另外，美國國家航空航天局的費米衛星（Fermi satellite）觀測到銀河系中心發出一束擴展寬度達到20度伽馬射線。伽馬射線束關於星系中心呈球對稱分布，越靠近中心強度越強，這種分布剛好與暗物質理論的預期一致。

這項實驗看上去似乎已經找到暗物質了。然而，上述正電子和伽馬射線可能都是毫秒脈衝星導致的，這是一種快速旋轉的中子星。其實，正電子本身就與可能的暗物質候選模型的特徵不吻合。要想確定這些正電子究竟來自於哪種物質，我們需要檢查正電子是否來自於某個已知的中子星的方向。至於那些伽馬射線，它們所表現出的漲落也更像是銀河系中心的某些尚未識別的微弱的中子星信號。而且，如果伽馬射線確實是來自於暗物質，那麼我們應該能夠在附近的小型矮星系中觀測到相似的信號，因為這些矮星系應該相應地包含更多暗物質。可惜，我們至今仍未發現相關的證據。

更多候選粒子

當前，人類對於暗物質的搜索，主要集中在一種最簡單的候選粒子，即弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particles, WIMP）。這個「弱」有兩層含義，一方面指這種相互作用的強度非常微弱，另一方面也指這種粒子與普通物質之間只存在弱核力相互作用。弱相互作用大質量粒子，是粒子物理標準模型的自然擴展。即便不了解更多的細節，一個「弱」字所包含的信息也足以供物理學家計算出宇宙中有多少這種粒子。在宇宙大爆炸所產生的高溫原初物質中，粒子不斷地產生和湮滅。宇宙逐漸膨脹，物質的溫度隨之下降，不同種類的粒子也陸續停止生成，而具體何時停止，取決於粒子的質量。另一方面，粒子還在不斷的碰撞中被破壞，碰撞破壞的速率，則取決於粒子之間相互作用的強度。這種破壞持續進行，直到粒子在宇宙中彌散開來，無法再頻繁地發生碰撞。

於是，只要給定WIMP的相互作用強度，再加上一些數學運算，我們就可以計算出早期宇宙的「熱湯」中所含有的WIMP的數量，這個結果與當今所觀測到的暗物質的總量一致。計算結果還表明，WIMP的質量應該是質子質量的數百倍。總的來說，WIMP的性質剛好處於一個最優點。如此良好的性質，被人們稱為「WIMP奇蹟」。

然而，理想很豐滿，現實卻很骨感。在經歷了無數失敗的實驗之後，物理學家走投無路，不得不拾起那些曾經被認為不靠譜的理論。

一種可能的情況是，暗物質粒子比之前預料的要重得多。這裡包含了一層簡單的邏輯：單個粒子越重，那麼為了湊足天文觀測中推算出的暗物質質量，所需要的暗物質粒子就越少，而正是因為暗物質粒子太少，人類的探測器才沒能捕捉到它們。如果情況果真如此，那麼物理學家就要嘗試用完全不同的方式來搜索暗物質粒子了，比如通過暗物質粒子對暮年中子星或其他天體的影響，來尋找暗物質的蹤跡。

另一種可能的情況恰恰相反：暗物質粒子可能太輕了，以至於無法在探測器中留下痕迹。這時，物理學家可以借用太陽這個天然的探測器。太陽在銀河系中穿行，掃過暗物質粒子。這些暗物質粒子與太陽中的質子發生散射，會改變太陽的溫度分布，從而影響太陽表層氣體起伏漲落的湍流運動。我們可以對太陽進行日震學觀測。與地震學類似，日震學是一門研究太陽內部擾動的傳播以及對太陽表面影響的學科。觀測結果表明，太陽中存在某種反常的日震活動，無法用目前的標準太陽模型解釋。

如果暗物質粒子能夠在太陽內部聚集，那麼它們也有可能在日核處湮滅，產生高能中微子。日本的超級神岡中微子探測裝置，以及南極的「冰立方」天文台都有能力觀測到這樣的中微子，但目前二者都尚未報告相關的事件。

超輕暗物質粒子的極端情況是一種被稱為「軸子」的假想粒子。它與普通物質間有弱相互作用，質量不到質子的萬億分之一，但並非絕對地「暗」：軸子與普通物質也有電磁相互作用，在強磁場腔中會產生微波光子。自從20世紀80年代，就有實驗裝置開始探測軸子，但同WIMP探測器一樣，幾乎顆粒無收。

也許，暗物質粒子根本就不是粒子，而是一種「非粒子」（unparticle）。非粒子是由一位理論物理學家提出的概念，它與電磁場有一點親緣關係，但不是一份份分立的能量。我們有可能在粒子對撞機的實驗數據中找到非粒子存在的間接證據。還有一種可能，暗物質並不只有單一的組分，畢竟普通物質就包含多種不同的粒子。暗物質可能由幾種不同的粒子組成，這會使得搜尋暗物質的工作更加困難，因為我們的探測目標更加不確定。最壞的可能性則是，除了萬有引力以外，暗物質粒子根本不與普通物質發生相互作用。果真如此的話，實驗物理學家恐怕是永無翻身之日了。

暗物質永不見天日？

換個角度講，其實我們現在也恰恰是處在時代的轉折點。所謂推陳出新，不破不立，我們或許應該嘗試尋找某種全新的暗物質粒子，也可以嘗試建立一種全新的引力理論，從而完全拋棄暗物質的概念。這樣的機遇，正是多少科學家都夢寐以求的。

但是，大自然完全有可能把新物理藏到了人類觸不可及的某個角落。在尋找WIMP方面，儘管人類還沒有打光所有的子彈，但能夠挽回敗局的機會已經不多了。升級改造之後，新的探測器總是能夠對WIMP更加敏感，但同時也對無關的雜訊粒子更敏感，總有一天，我們將無法區分兩者。如果人類始終不能探測到WIMP的話，按照目前的發展速度，10年之內，WIMP可能存在的參數區間就將逼近中微子，屆時，我們的探測器根本無法將WIMP與太陽中微子、大氣中微子這些背景雜訊區分開來。

太陽本身就是一個天然的暗物質探測器。穿過太陽的暗物質粒子可能會影響太陽的內部結構，天文學家便可以通過觀測太陽表面的振蕩來推測暗物質的信息。上面這張圖片顯示的就是太陽表面起伏振蕩的情況，藍色和紅色的區域分別是振動的峰與谷。（圖片來源：AURA/NSO/National Science Foundation）

不過，我們還可以用間接方式探測暗物質。位於智利和西班牙拉帕爾馬島的切倫科夫望遠鏡陣列（Cherenkov Telescope Array）有望扛起下一代暗物質探測的大旗。它由超過100個望遠鏡構成，探測目標之一便是銀河系以及其他星系中的暗物質湮滅後產生的伽馬射線。問題是，這種探測方式成本高昂。目前，暗物質探測器相比於其他大型物理實驗裝置，造價可以稱得上低廉；但是如果探測器的規模、靈敏度、複雜度不斷提升，那它很有可能會像大型強子對撞機（造價近70億美元）、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（造價約80億美元）一樣燒錢。更何況，暗物質探測實驗有可能得不到任何結果，那我們又要怎樣說服政治家為它買單呢？

尋找暗物質粒子，最強大的工具應該是新的粒子對撞機。未來三十年，物理學家計劃建造一台能量是大型強子對撞機7倍的粒子對撞機，中國和歐洲目前正在進行相關研究。如果只是簡單地增大對撞機的規模的話，按照當前的貨幣計算，它將花費約250億美元。如果這筆資金由多個國家共同承擔，並且在幾十年間陸續投入，那麼這樣的超級對撞機或許有可能建成，但它也是人類最後的王牌了。就算未來物理學家能夠獲得更多的資源來建造能量更高的對撞機，也無法再撞出什麼新物理。因為，對撞的能量越高，其所能夠產生粒子質量也就越大，但宇宙大爆炸其實不可能生產出數量足夠多的更重的粒子。

就算我們窮盡所有的努力，仍然有可能找不到暗物質，現實可能就是這麼殘酷。也許世上本沒有暗物質，我們應該努力尋找的，是某種超越廣義相對論的理論，但這條路目前也尚未走通。事實上，2016年人類首次探測到黑洞雙星系統產生的引力波，反而進一步證實了愛因斯坦的引力理論及其推論——暗物質應該存在。

不過，凡事總有其積極的一面。宇宙的暗面或許隱藏著某種神秘的啟示，至少我們應該去探索，才有可能窺見其樣貌。現在，我們繼續踏上尋找新粒子征途。除了毅然前行，我們別無選擇。

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