暗物质藏在哪?物理学家准备撒一张更大的网

在亚平宁山脉的地下、四川锦屏山的深处、南达科他州一座矿井的底部，一场宇宙级别的追捕正在进行。

深埋在这些岩石屏障下面，装满液态氙的巨型探测器试图首次直接探测到暗物质——那种人类寻找已久的隐形物质，它的引力塑造了我们的宇宙。

研究者希望有一天，一颗被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）的暗物质粒子会撞上一个氙原子，产生一束闪光和一股电荷。这些实验运行了好几年，最近开始捕捉到一种稀有的信号，一种像幽灵一样穿过普通物质、偶尔才撞上探测器的粒子。遗憾的是，这个信号不是暗物质产生的。探测器捕捉到的是一种同样飘忽不定但普通得多的东西：中微子——太阳和其他恒星大量产出的超轻亚原子粒子。

在预想的位置找不到暗物质，促使物理学家提出了大量新的搜寻方案：量子传感器、液态氦探测器、在木星大气层中搜索，等等。

物理学家几十年前就知道这个中微子背景噪声的存在，只是寄希望于在中微子成为干扰之前先找到 WIMP 暗物质。然而，如今的希望越来越渺茫了。当今的一些 WIMP 探测器实在太大、太灵敏了，它们正在进入所谓的“中微子迷雾”中——中微子信号很可能淹没真正要找的目标。没有任何屏蔽手段能挡住中微子，它们轻轻松松就能穿过整个地球。这意味着下一个用这种传统方法搜寻 WIMP 暗物质的实验，可能就是最后一个。

但撞上中微子迷雾并不意味着暗物质搜寻的终结，研究者只需要换一个方向。“我们没有看到 WIMP 暗物质。”加州理工学院理论粒子物理学家凯瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）说。科学家也没有在横跨法国和瑞士边境的强大质子对撞设施大型强子对撞机（LHC）中发现新粒子。“所以人们自然会把视野放宽。”祖雷克说。视野一放宽，等着被检验的候选者还有很多。

换句话说，这场搜寻正在从一个窄小的探测变成一场全面铺开的行动，这是一个很大的转变。今天的粒子物理学家对暗物质身份的把握，反而不如他们刚开始找的时候。他们会坦率地承认：连最基本的问题都不能想当然——比如暗物质的组成成分比地球重还是比无线电波轻，暗物质是一种粒子还是十几种。

这种不确定性令人沮丧，甚至让人谦卑。“候选者可能存在的范围太大了，任何一个小实验找到它的概率都非常非常小。”加州大学圣巴巴拉分校暗物质实验物理学家休·利平科特（Hugh Lippincott）说。

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但在预想位置找不到暗物质，也催生了大量新搜寻方案：量子传感器、液态氦探测器、在木星大气层中搜索，等等。“现在大家非常兴奋。而且终于有了合适的技术。”华盛顿大学物理学家格雷·里布卡（Gray Rybka）说。他联合领导着一项搜寻轴子（一种超轻暗物质候选粒子）的实验。

但可以找的地方这么多，物理学家该从哪里重新开始？

天文学上的无知

先从宇宙的诞生说起。暗物质从一开始就跟我们在一起，那些早期岁月有很多东西可以学。宇宙早年发出的第一缕光充满了由底层物质分布不均匀造成的波动，读这些宇宙“残渣”，研究者能看出宇宙中只有 17% 的物质是由质子和中子这样的普通粒子组成的，剩下 83% 是暗物质。暗物质除了引力之外，跟光和普通物质几乎没有任何相互作用。

虽然看不见暗物质，但它的引力留下了大量线索。我们知道银河系周围包裹着一团暗物质，因为太阳系绕银河中心转的速度太快了，光靠普通物质的引力根本拽不住。没有暗物质在旁边拉着，我们早就被甩进星系间的虚空了。我们还能看到暗物质的质量会弯曲经过它的光线，就像透镜一样。把视野拉到最大，超星系团在太空中的分布就像蛛网上的露珠——这种结构离了暗物质，任何宇宙学理论都解释不了。

但所有天文学和宇宙学的证据对“暗物质到底是什么做的”几乎一无所知。“它告诉不了你单个组成成分是什么，只能告诉你一大堆放在一起的总效果。”利平科特说。他领导着 LZ 实验，一台目前在南达科他州前霍姆斯塔克矿井里运行的 WIMP 暗物质探测器。

WIMP 这个概念是 1980 年代提出来的。当时理论家们在想怎么扩展标准模型——粒子物理学的总框架，描述了宇宙中所有基本粒子和它们之间的相互作用。标准模型很强大，但有缺口，最明显的就是没有包含引力，所以需要补充。当时最流行的补充方案叫超对称（简称 SUSY），核心思路是：宇宙中每一种已知粒子都应该有一个尚未被发现的“超伙伴”。要解释为什么超伙伴至今没被探测到，它们就必须质量很大（大到现有对撞机够不着）、而且跟普通物质的相互作用极弱，能像幽灵一样穿过物质。换句话说，超伙伴就是 WIMP。物理学家很快意识到 WIMP 同时也是绝佳的暗物质候选粒子：两个问题，一个粒子全解决。