发现暗物质的时代

通过一系列实验和观测，科学家们或许距离破解一个最复杂的宇宙谜团——暗物质，只有一步之遥了。

今年是首次假定暗物质存在80周年。如今，80年过去了，我们依然不知道这种难以捉摸的物质到底是什么。

尽管天体物理学家们比过去更有信心，声称我们宇宙的大部分质量属于暗物质，但在追寻其本质时，往往空手而归。

暗物质的故事发端于1933年，当时聪明又古怪的加州理工学院天体物理学家兹维基（Fritz　Zwicky）发现了后发星系团的一些奇异之处：尽管其中的星系看似以引力作用相互束缚，但从它们很高的运动速度来看，星系团将不可避免地分崩离析。然而后发星系团却并未瓦解。难道这个遥远星系团中的恒星比我们星系的恒星更重？或者宇宙中并不处处适用相同的物理定律？难道，尽管看到星系团解体的可能性微乎其乎，但我们看到的恰恰就是这一时刻？在考虑了各种可能性以后，兹维基推断，如果假定后发星系团中存在大量的不可见物质，这个难题就可以迎刃而解。随着这个想法的提出，暗物质假说应运而生。

自上世纪30年代以来，关于宇宙中存在大量不可见物质的假设获得了很多观测支持。尽管兹维基关于后发星系团的论文当时并未说服大多数科学家，但到了70年代末期，暗物质存在的证据已经相当有说服力，使得天文界中很大一部分学者转而承认确实存在着一个“失踪质量问题”。Vera　Rubin、Kent　Ford等科学家对星系旋转的精细观测清楚地表明，仅仅依赖从望远镜中直接看到的物质——恒星和气体——远远不足以解释许多星系和星系团的运动。科学家们目前估计，宇宙中六分之五的质量属于暗物质。

关于“失踪质量”是由什么构成的，有很多种猜测，其中包括各类奇异的恒星，这些恒星过于暗弱，难以用望远镜观测到。不过对白矮星、中子星及其它暗弱天体的搜索，并未发现足以解决问题的数量。最近的搜索也排除了暗物质是由行星、褐矮星及大质量黑洞构成的想法。不过，无论暗物质到底是什么，它都不是由原子构成的，或者任何已知的其它物质形式。

一些物理学家提出了更加大胆的猜测，认为宇宙中的引力作用可能与牛顿或爱因斯坦预言的方式不同，这就会使星系旋转的方式改变，这样就消除了假定有暗物质存在的必要。最初，这种“修正的牛顿动力学”（MOND）看起来是很可行的，不过，近期对星系团及宇宙微波背景辐射的观测数据都强烈地支持暗物质的存在，而很不支持“MOND理论”。

如今，所有的迹象都表明，星系和星系团都包裹在暗物质粒子所构成的巨大物质云（晕）之中，这种物质被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）。尽管这些粒子可能就在我们周围，不过它们与我们熟悉的普通物质的相互作用极其微弱，导致我们无法直接观测它们。直到现在，情况依然如此。

你预感到发现了吗？

科学史上有很多重要的发现就好像在月黑风高之夜悄然出现的窃贼，其到来会令所有人都大吃一惊。不过比较偶然地，某一个重要的科学成就也可能被提前预见。近期，瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子的存在迹象。粒子物理学家已经对希格斯子的性质非常了解，并知道用什么样的实验能够探测到它。尽管由于希格斯子的质量太大，很难在早期的实验中发现它，但是物理学界一直坚信，只要希格斯子存在，就一定可以利用LHC发现。相信不久后你将会亲眼看到这一发现。

类似推理，如果暗物质是由WIMP构成的，那么我们已经清楚地知道应该采用何种实验来进行直接观测。几十年来，科学家们开发和改进了这些实验，使其越来越接近探测到WIMP所需的灵敏度。这些技术包括在地下深处进行的实验，用来探测单个暗物质粒子的撞击。还包括搜寻两个暗物质粒子相互反应时可能产生的高能粒子和辐射的望远镜，其中美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜无疑是最有希望的一个。最后，LHC被寄予厚望，成为能实际产生暗物质粒子并直接确定其存在的仪器。

尽管理论研究尚未如研究希格斯玻色子一样给予我们关于WIMP性质的详细描述，但大多数暗物质理论已经取得了许多共识，在上述的三位一体实验策略中发挥着作用。如果我和我的同事们所料不差，暗物质真是由WIMP构成的，那么这种粒子就无法再隐藏多久了，发现暗物质的曙光已然在望。

深入地下

过去25年里，物理学家们已经在地下深处的矿井里进行了许多实验，希望观测到射入地下的暗物质粒子的微弱碰撞。这些地下实验能够屏蔽绝大多数宇宙射线，而在地表由于宇宙射线的干扰，几乎不可能观测到偶然出现的暗物质粒子。不同于宇宙射线和大多数普通物质，暗物质粒子不会被散射或吸收，能够在地球内部轻易穿行。当一个WIMP粒子穿过地壳到达地下深处的探测器，只有非常微小的机会与探测器中的原子相撞。就像台球桌上的母球，这种碰撞会使WIMP的能量转移到被撞击的目标上，从而产生微小但可被测量的热信号或光信号。有很多科学团队在他们的探测器中使用了不同的材料，使探测器对于不同质量范围的WIMP敏感。这些实验多年来静心等待，期待这种难以捉摸的粒子到来，以便证实其存在。

XENON-100是这些实验中最敏感的之一，它使用161千克液态氙作为WIMP的受撞目标。它深埋在意大利格兰萨索国家实验室地表下1.5千米处。如果暗物质粒子的质量相当于质子的约10到数千倍，那么XENON-100就能够探测到。搜索仍在进行，但2012年7月，XENON团队公布了目前所获的结果，令人印象深刻。尽管XENON-100尚未真正找到WIMP，但没有检测到信号这一事实本身就已经排除了许多理论推测的粒子类型。

近些年，地下探测器的灵敏度以惊人的速度稳步上升。就像描述电脑芯片的运算速度自70年代早期以来，每18个月增加一倍的摩尔定律一样，暗物质探测器在过去12年左右的时间里，灵敏度每15个月就增长一倍。这种趋势很可能在至少未来十年内还将持续，不久就将使探测器强大到可以检验形形的WIMP理论。如果在未来5到10年内，这种粒子的信号依然没有被检测到，那么我倒会感到很惊讶了。

实际上，有一个名为DAMA的实验宣称，他们已经探测到了这些粒子。DAMA实验以2.50千克碘化钠晶体为反应介质，也设置在格兰萨索山的地下。13年来，DAMA观测到的信号呈现季节性变化，夏天出现的多于冬天。DAMA团队认为，这种年度变化是由于地球围绕银河系中心和太阳的轨道运动所致。在北半球的夏季，围绕太阳的公转运动会使地球高速冲入看不见的银河系暗物质的云中，增加WIMP击中探测器的几率。

最近，另外两个合作项目CoGeNT和CRESST的观测结果似乎支持DAMA的说法，但是其它实验并未检测到类似DAMA实验的WIMP应有的信号。目前，关于DAMA、CoGeNT以及CRESST究竟是的确观测到了暗物质粒子，还是仅仅被一些鲜为人知的背景所干扰以致形成了期待中的信号的假象，科学界尚未达成一致意见。

瑞士暗物质工厂

宇宙中的所有物质，无论是暗物质还是其它物质，其起源都可以追溯到大爆炸之后的最初一瞬间。在那个短暂的瞬间，由物质和能量构成的，高热、致密得令人难以置信的等离子体充满了整个空间，粒子不断被创造和摧毁，在其诞生或湮灭的时刻闪现光辉。同时，由于在原始汤中能量异常丰沛，所以在我们熟知的物质形式以外，还有许多奇异的物质形式出现。

由于爱因斯坦的质量一能量关系式E=mc2（这个关系式是爱因斯坦狭义相对论的重要推论，其中E代表能量，m代表质量，c为光速。——译者注）的缘故，暗物质和许多其它奇异粒子在大爆炸中被创造。方程里虽然仅有五个字符，但爱因斯坦的质－能关系方程式高度概括了能量可以与质量相互转化这一事实。但两者之间的转化比率很悬殊，大量的能量只能转化为很少的质量。例如，自发产生电子需要比太阳核心高1000倍的温度。在大爆炸的极热状态下，温度非常之高，使得电子和其它普通物质被大量创造出来，而WIMP也是如此。虽然理论预期大部分WIMP会迅速彼此湮灭，但终将有一小部分会以暗物质的形式存留至今。

在周长为27千米的圆形隧道里，LHC将重现宇宙大爆炸的瞬间。它可以将质子束加速到超过光速的99.999999％。当这些质子束对撞时，质子碰撞的能量相当于大爆炸后一万亿分之一秒的状态。LHC很有可能创造出暗物质粒子，成为我们的WIMP工厂。它的运行很可能是大爆炸以后，在宇宙中首次有相当数量的暗物质产生。

不过即使LHC能够频繁地制造出WIMP，但这很难被证明。它在一秒钟内可以击碎上亿对质子，然而只有一小部分碰撞可能产生暗物质粒子。要在这么多撞击中找出暗物质粒子的信号就好比大海捞针。更糟糕的是，探测器并不能直接观察到WIMP——望远镜无法看到它们，由于相同的原因，LHC也无法看到。所以证明暗物质粒子的存在只能通过一小部分碰撞事件的能量消失来推断，而非直接观测。所以，LHC的科学家们就好像是在一片精彩纷呈的海洋中，寻找一根看不见的针。

虽然目前LHC并没有发现暗物质粒子的信号，但我们现在检查过的数据只不过是冰山一角。LHC将在2月份暂时关闭，按计划进行设备升级，使每次碰撞的能量提升一倍。为了最终知道LHC能告诉我们什么，整整一代物理学家已经等待了数十年。如果它未能揭示出新的、激动人心的、出人意料的宇宙奥秘，那么包括我在内的物理学家都会感到非常惊讶。但只要拥有几分运气，LHC就会告诉我们，最早由兹维基所提出的暗物质是由什么构成的。