頭號種子傳來壞消息，暗物質搜尋賽道上誰將最終勝出？
寫在前面
本周《賽先生》特輯主題：暗物質迷蹤。
有關暗物質的新聞總是令世人矚目，然而幾十年來，我們得到的新消息卻總是同一個：還沒有發現暗物質。這多少有些讓人憂心忡忡，仿似我們進入了一片漫無邊際的黑暗王國，迷失其中。
本周中，位於義大利的XENON1T研究團隊公布了最新研究結果，科學家表示，歷經一年多的搜索，這個世界上迄今最大、最靈敏的暗物質探測器，仍未發現任何暗物質的」蛛絲馬跡「。不過他們同時帶來了一點好消息：新研究縮小了尋找暗物質「弱相互作用大質量粒子（WIMP）」的範圍。
新的研究結果在暗物質研究領域引起了不小震動，有科學家甚至悲觀地認為：這一結果無異於對科學家曾寄予厚望的WIMP宣判了死刑。
科學從來都是在人類未知的黑暗世界裡摸索前行。我們或許不必太過悲觀。畢竟，在搜尋暗物質的賽道上，還有很多種子選手仍在奮力前行（今日頭條）。或許你會質疑，既然這麼長時間難覓暗物質蹤影，是不是科學家一開始就錯了？為此，小賽今天與你一起，簡要回望暗物質理論提出的背景和發展歷史（今日二條），同時跟大家講講未來發展的更多可能性（今日三條）。
或許，真正的黎明並不遙遠。
我們現在能夠探測到的物質，小到原子，大到星系，加起來的總和只佔宇宙中總物質的15%。餘下的85%是什麼？它們又在哪裡？豈今為止都無人能夠解答。這些隱形的物質被稱為「暗物質」，它們活躍在理論家的模型中，卻頑固地拒絕被捕捉。
儘管收穫甚微，但搜尋暗物質的努力從未停止。目前，全世界共有五十多個探測項目參與這場競技比賽，它們按照探測原理的不同可以分成三組。接下來，我們將分別介紹各組的代表選手和它們的獨家技能。
直接探測組
如果暗物質粒子和普通原子發生碰撞，就會釋放出能量和閃光。通過探測這些信號，從而尋找暗物質的方法被稱為暗物質的直接探測。由於信號非常的微弱，為了屏蔽雜訊，這一組的選手往往深埋於地下。
一號選手：大型地下氙探測器實驗（LUX experiment）
數據採集開始時間：2013年4月
LUX實驗位於南達科他州萊德市（Lead, South Dakota）的一個廢棄金礦內，它在地下1600多米深處探測暗物質的蹤跡。
Photo by C.H. Faham
科學家需要在零下100攝氏度的溫度下將液態氙裝滿這個巨箱。位於巨箱頂部和底部的光電倍增管用於光的探測，搜索著暗物質與氙原子核發生碰撞的跡象。
LUX探測器的主要目標是科學家們認為最有希望的暗物質候選粒子——弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。這種粒子「又胖又宅」，體重比質子和中子都要大，還很少和其他物質互動。它之所以成為暗物質的熱門候選者，主要是因為可以被很好地放入主流的宇宙理論模型里。
不過這個靈活的胖子沒那麼容易現身。LUX探測器從2013年4月開始收集數據，到2016年5月完成最後一輪運行，都沒有看到WIMP的信號。
二號選手：熊貓計劃（PANDAX）
數據採集開始時間：2014年5月
「熊貓計劃」實驗室位於四川涼山彝族自治州的一條隧道中，深埋于海拔近4100米的錦屏山。它的探測原理與LUX一致。雖然地處偏僻，但「熊貓」的探測能力不輸國際競爭者。從2014年5月收集首批數據開始，隨著一次次的升級，它也一次次地取得了世界領先的靈敏度。
圖源：https://pandax.sjtu.edu.cn/pandax
可惜的是，熊貓也還沒能找到WIMP的蹤跡。
三號選手：XENON1T
數據採集開始時間：2016年11月
XENON1T探測器位於義大利格羅薩索國家實驗室，在地下1400米深處。這個探測器使用了3200千克液態氙，是世界上最大的暗物質探測器。它的目標同樣是WIMP。
Photo by Roberto Corrieri and Patrick De Perio
2018年5月28日，XENON1T實驗組發布了最新結果——仍然沒有發現WIMP。
四號選手：低溫暗物質搜索（CDMS）
數據採集開始時間：2002年
CDMS所用的探測器被埋在美國明尼蘇達州深達700米的地下，和前三位利用液態氙進行探測的選手不同，它主要由鍺元素和硅元素構成。不過探測原理還是相似的。
圖源：http://www1b.physik.rwth-aachen.de/darkmatter/
2009年12月17日，CDMS的研究團隊發表了兩個可能的WIMP事件。他們認為：「這個分析結果無法被視作WIMP的有力證據，但我們不能排除這兩起事件來自WIMP的可能性」。
CDMS計劃將升級為Super CDMS SNOLAB，雖然這個計劃一再延期，但它的目標仍然是——WIMP！
五號選手：軸子暗物質實驗（ADMX）
數據採集開始時間：20世紀90年代
這位選手沒有執著於尋找WIMP，它的目標是暗物質粒子的另一個候選者：軸子。
軸子是物理理論中一種假想的基本粒子，這種粒子沒有電荷、沒有自旋、質量還比WIMP小得多。因此，它們也更加難以尋找。
物理學家認為軸子會衰變成為光粒子，有可能在穿越大部分物質時無法被探測到，但它們可能會與磁場作用。因此ADMX的科學家用一個巨大的有內置微波空腔的超導磁體來試圖捕捉軸子。
Credit: Mary Levin / University of Washington
儘管探測方法和目標都變了，但結果還是類似的，ADMX至今沒能探測到軸子。
間接探測組
理論預言，兩個暗物質粒子碰撞並湮滅會產生一對普通粒子，通過尋找這樣的湮滅產物便有希望找到暗物質粒子。間接探測即是通過尋找宇宙線中的這些信號來尋找暗物質。
一號選手：冰立方（ICECUBE）
建成時間：2010年
2010年底建成的ICECUBE位於冰天雪地的南極洲，它的主要目標是捕捉來自太陽系外的宇宙中微子。如果暗物質粒子聚集在太陽內部，它們就有可能在太陽核心處發生湮滅。而一旦這個過程中產生的高能中微子被探測到，科學家便有可能找到暗物質相關的線索。
Credit: Stephan Richter, IceCube/NSF
不過至今，這一切都還只是可能。
發射時間：2006年6月
三號選手：阿爾法磁譜儀（AMS）
發射時間：2011年5月
AMS漂浮在距離地面402km的國際空間站，配備了超高精度的探測器。
圖源：https://ams.jsc.nasa.gov/index.html
AMS於2011年搭乘美國「奮進」號太空梭進行國際空間站。自運行以來，它不但證實了PAMELA的觀測，還在更大的能量範圍和更高的精度上擴展了這一結論。但是，即使是AMS-02 的結果也無法確認正電子的來源到底是暗物質還是脈衝星。
四號選手：暗物質粒子探測衛星「悟空」（DAMPE）
發射時間：2015年12月
「悟空」於2015年12月17日發射成功。它擅長準確測量高能電子、伽馬射線的能量，以及區分不同種類粒子，在搜尋暗物質粒子時具有得天獨厚的優勢。
「悟空」的藝術畫像（Credit: China Academy of Sciences）
「悟空」上天兩年之後，2017年11月30日，《自然》雜誌在線發表「悟空」的首批探測成果：「悟空」衛星的科研人員成功獲得了目前世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。其中的數據表明，有可能存在「質量為1.4萬億電子伏左右的新物理粒子」。但這些仍不足以確認是否存在暗物質。
主動出擊組
上面的選手都屬於「守株待兔」型，等待信號出現，然後進行探測。而這一組選手採取完全不同的策略，它們主動尋找暗物質。典型的代表就是大型強子對撞機（LHC），即世界上能量最大的對撞機。
Photo by CERN
在LHC中，如果對撞粒子的總能量足夠高，碰撞過程就可能產生暗物質粒子。但是暗物質粒子無法被對撞機上的探測器探測到。因此，科學家在重建碰撞過程時，就會發現一部分能量和動量消失了。通過這種方法就能在對撞機上尋找暗物質的信號。
令人遺憾的是，2009年11月開始運行的LHC至今未能「撞出」暗物質粒子。
在這場暗物質搜尋賽中，很難預測誰將拔得頭籌，甚至也有可能，暗物質在未來某一天被科學家確證為不存在。但無論最終結果如何，我們終會發現，所有這些對未知的探索都是值得的，科學也正是在這樣的不斷嘗試中曲折前行。
參考資料
【4】LUX dark matter experimenthttp://lux.brown.edu/LUX_dark_matter/Home.html
【5】PANDAX https://pandax.sjtu.edu.cn
【6】XENON1T https://grandilab.uchicago.edu
【8】ADMX https://arxiv.org/pdf/1112.1167.pdf
【9】ICECUBE https://icecube.wisc.edu
【11】AMS https://ams.jsc.nasa.gov/index.html
【13】LHC https://home.cern/topics/large-hadron-collider
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