互动科普

探测暗物质的竞赛带来的却是更多困惑。不过，正在建造的更大、更灵敏的探测器不久就会改变这一局面。

围捕暗物质

撰文 亚当·曼（Adam Mann）
翻译 谢懿

作为一种完全不可见的东西，暗物质极为出色地让其他事物感觉到了它们的存在。从20世纪30年代起，天文学家便开始收集它们的证据，追踪它们如何通过势不可挡的引力来塑造星系、星系团，乃至更大的宇宙结构。虽然它们真正的本质仍然未知，但暗物质的总量似乎是恒星和星系中可见的普通物质的5.5倍。

然而，在地球上，正在努力回答“它们是什么”这个问题的物理学家常常感觉自己是在追逐一个幽灵。确实，他们的探测器已经给出了许多奇怪且相互矛盾的结果。两个实验独立地在它们的仪器中看到了似乎是暗物质流的东西。一个探测器在2010年或许看到了几个暗物质粒子——尽管实验人员认为它们只是些背景噪声；而另一个实验根本没有发现暗物质的证据。

幸运的是，这一乱象可能是暂时的。暗物质探测器对极罕见事件的灵敏度比20年前提高了大约1 000倍。随着物理学家建造更大的探测器并且能更有效地压制可能被错当成真实信号的背景噪音（见“暗物质探测器”），未来十年内探测灵敏度还会再提高100倍。“如果一年后，有人站出来说我们已经做到了，我们已经检测到了暗物质，那也不至于太出人意料，”美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）说。其他物理学家则更为谨慎地预计还要5到10年。无论如何，人人都感觉得出来，这个领域将有大事发生。

绝大多数直接探测暗物质的尝试都源于这样一个假设：它们是从大爆炸起便遗留下来的弱相互作用大质量粒子（WIMP）。这里的“大质量”解释了它们的引力，“弱相互作用”则解释了它们为什么不可见：不计其数的WIMP可以穿过恒星、行星和人体，却几乎从不发生任何碰撞。

这一假设决定了这样一种基本探测方法：将大量物质聚集在一起做一个标靶；将它深埋入地下，以屏蔽可能产生误导信号的宇宙线和其他辐射；等暗物质粒子终于撞上了一个普通原子核，再去测量撞击产生的反冲能量。标靶的物质质量越大，暗物质粒子就越有可能撞上一些东西。

在这些基本方法之外，搭建这样一个实验还需要一定的猜测。为了获得显著的反冲效应，科学家要求构成标靶的核子必须和他们寻找的暗物质粒子质量相当。美国加利福尼亚大学欧文分校的粒子物理学家冯孝仁（Jonathan Feng）说，这就像是寻找一个看不见的台球。如果标靶核子相当于一个保龄球，暗物质粒子与它的碰撞就几乎不会令它移动。另一方面，如果标靶相当于一个乒乓球，它就很难偏转暗物质粒子，几乎没有多少能量会被转移。所以，冯孝仁说，你需要的是另一个台球。

超对称WIMP

有几项暗物质实验已经把宝押在了超对称（supersymmetry）身上。根据超对称理论，粒子物理标准模型里的每一种粒子都有一个较重且迄今尚未被观测到的伙伴粒子1。超对称预言，存在一种被称为渺中子（neutralino）的WIMP，特性恰好可以完美解释宇宙中暗物质的分布。它的相互作用足够微弱，质量又极大——可达质子质量的50倍到几千倍。

“氙暗物质搜寻实验”（XENON）是最受关注的渺中子探测实验之一，位于意大利拉奎拉附近巨石峰国家实验室的地下，由美国和欧洲的多所大学联合进行。顾名思义，这项实验的探测介质是一大水箱液态氙。氙的原子量略大于131，与超对称预言的低质量端WIMP质量相近，这些粒子是目前最容易搜寻的。

装在XENON实验装置水箱内部的光电倍增管会监测氙被WIMP撞击发生反冲而产生的特有闪光，又被称为闪烁（scintillation）。2006年建成的第一个XENON探测器使用了大约15千克的氙，没有发现任何不能以背景辐射来解释的现象。研究团队后来在2009年对它进行了升级，建成了更大、更灵敏、包含161千克氙的XENON100。

虽然该探测器最初11天的运转仍然没有发现任何粒子2，但这一结果本身就极为重要：在瑞士苏黎世大学领导XENON小组的物理学家劳拉·鲍迪斯（Laura Baudis）说，质量小于100 GeV（十亿电子伏特）的WIMP应该会现身才对。由于它们没有出现，因此这些质量较小的暗物质粒子就被排除掉了。遗憾的是，随后为期100天的运转结果仍不明朗：研究人员仍在努力对付由氙中的极微量杂质所产生的意料之外的高强度背景辐射3。

纯粹而简单

在美国明尼苏达州北部废弃的苏丹铁矿中进行的“低温暗物质搜寻”（CDMS），是在相似质量范围内展开搜寻的另一项实验。CDMS实验团队使用锗和硅晶体作为探测介质，它们是仅有的、能够制备出足够高的纯度用来探测暗物质的固体元素。该探测器运转时，这些直径10厘米左右的晶体会被冷却到只有0.04 K的低温，因此任何由WIMP撞击所产生的热量都会被探测到。

目前正在运转的是这个实验装置的第二代，被称为CDMSII。实验团队在2010年初报告了一个令人兴奋的消息，探测到了两个可以被解释成暗物质的信号4。尽管引发了一阵骚动，实验团队却保持着缄默。“我们并没有声称这是重大发现；在这一低阈值上我们看到了许多事件，其中绝大部分可能是背景噪声，”CMDS团队成员、美国加州理工学院的杰弗里·菲利皮尼（Jeffrey Filippini）说。如果这两个事件不作数，那么CDMS团队得到的结果就跟XENON团队差不多：没有任何发现，有效地排除了低质量WIMP的存在。

然而，XENON和CDMS的结果与其他一些实验矛盾，后面这些实验声称探测到了被前两个实验排除了的极低质量WIMP。这些实验中最有趣也最饱受争议的，或许要数“暗物质碘化钠阵列罕见过程搜寻”（DAMA/LIBRA）实验，它和XENON共用着巨石峰国家实验室的地下场地。DAMA的工作原理是，太阳绕银河系中心的轨道会令太阳系以大约每秒220千米的速度穿过不可见的宇宙暗物质背景，因此地球上的探测器会看到以这个速度飞过它们的暗物质，再外加一个由地球绕太阳转动而产生的每秒30千米的周年变化。

在碘化钠晶体中寻找反冲事件闪烁的DAMA团队宣布，13年来他们一直追踪着这么一个周期性信号5。然而，这些晶体无法区分WIMP和探测器周围环境中来自普通辐射的背景事件，因此这一结果依赖于一个假设，那就是背景事件的发生率固定且不随季节变化。如果这一结果成立，它就公然与XENON和CDMS的发现相左了。

“如果主要信号真有他们声称的那么大，我们和其他团队就应该已经看到它了才对，”德国慕尼黑马普物理学研究所的莱奥·施托多尔斯基（Leo Stodolsky）说，他参与了同在巨石峰国家实验室的超导量热计低温罕见事件搜寻（CRESST）实验。和许多没有参与DAMA实验的物理学家一样，施托多尔斯基对此表示怀疑。他说，许多季节性过程，包括实验室山顶上雪的融化和重新冻结这么简单的现象，都会释放出亚原子粒子，可能伪装成DAMA暗物质结果。

此外，没有其他实验在搜寻周期性信号，因此DAMA结果无法被直接重复，这进一步动摇了该结果的可信度。然而，虽然有质疑，DAMA信号每年都在变得更强。“DAMA团队非常勇敢，”美国芝加哥大学物理学家胡安·科利亚尔（Juan Collar）说，在绝大多数其他物理学家仍倾向于把他们的结果归结为背景噪声时，“他们敢于站出来宣布结果”。

科利亚尔领导了一个被称为相干锗中微子技术（CoGeNT）的实验，它的探测器就位于苏丹铁矿中CDMSII实验装置的附近。CoGeNT使用调制过的锗晶体来探测入射粒子，这些粒子要比它的“邻居”寻找的粒子质量小得多。这个实验最初的想法是通过探测这一质量范围来排除低质量WIMP的存在，它的结果最终却使事情变得更加扑朔迷离。

就在CDMSII报告几乎什么都没有发现时，CoGeNT发布了它最初56天运转的数据6。结果显示，有数百个粒子事件可以解释为暗物质，粒子质量介于7~11 GeV之间。

这些粒子可能跟DAMA正在探测的粒子是同一种，但物理学家很快就提出了另一个更审慎的解释。“对CoGeNT来说，信号和背景很容易会被错当成同一件事，”美国约翰斯·霍普金斯大学的物理学家戴维·卡普兰（David Kaplan）说。CoGeNT小组已经决定，在初次发表结果之后先等上一年，看看它的结果是否会出现类似DAMA的季节性涨落，然后再公布新的结果。

完全湮灭

与此同时，围绕探测暗物质的另一条途径，一场新的争论又爆发了。暗物质粒子拥有许多古怪特性，其中之一便是它们是自己的反粒子：在一个地方放置足量的反物质，它们就会开始彼此湮灭，这个过程会产生伽马射线。美国伊利诺伊州巴达维亚附近费米国家加速器实验室的天文学家丹·胡珀（Dan Hooper）说：具体来讲，银河系中心会产生过量的伽马射线辐射，因为暗物质预计会在那里聚集。胡珀宣称，他已经在美国航空航天局（NASA）费米伽马射线空间望远镜的数据里找到了这些过量伽马射线存在的证据7。

“如果你要问，对于银河系中心的暗物质，你能看到什么样的信号，那么这正是你预计会看到的，”美国纽约大学的理论物理学家尼尔·韦纳（Neal Weiner）说。这一结果与7.3~9.3 GeV的暗物质粒子相一致，也与CoGeNT和DAMA的发现相符。

其他科学家仍表示怀疑。美国马萨诸塞州剑桥市哈佛史密松天体物理中心的天文学家道格·芬克拜纳（Doug Finkbeiner）说：“银河系中心极为复杂，你必须排除其他所有可能性之后，才能确信自己看到了暗物质湮灭。” 芬克拜纳指出，这一信号也可能来自尚未被发现的脉冲星——这些高速自转的中子星会产生大量高能辐射。

然而，胡珀的结果为研究人员提供了想象的空间。“这里有太多的巧合了，”科利亚尔说。当三个实验的发现都开始指向质量相近的暗物质粒子时，“你就会开始自问，它们会不会不只是巧合这么简单？”

这样的想法驱使冯孝仁这样的理论学家重新审视了所有的结果，想看看它们能不能整合成一个有关“暗物质可能是什么”的一致想法。冯孝仁说，如果CoGeNT和DAMA是对的，它们探测到的就不会是预期的暗物质粒子——渺中子，因为它不会这么轻，也不会如结果所示具有这么强的相互作用。因此，暗物质也许是某种非常不同的粒子，又或许单一WIMP的模型并不正确。

“只要看看宇宙中构成我们的区区百分之几的物质，就会发现它们相当复杂，”加拿大沃特卢圆周理论物理研究所的物理学家菲利普·舒斯特（Philip Schuster）说。他指的是粒子物理标准模型预言的已知的“粒子动物园”，包含了μ介子（muon）、中微子和夸克这些奇怪的东西。他说：“认为宇宙成分中剩下的85%会非常简单，这个想法有些荒唐。”

舒斯特正与他的同事合作，为一个更复杂的暗物质理论寻找证据，这个理论被称为“暗成分”（dark sector）。暗成分包含多种类型的暗物质，还包含一些暗力，它们可能像普通物质一样结合形成暗原子。在美国弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰斐逊国家加速器实验室，一个名叫A级实验（APEX）正在检验这一理论。APEX将加速一束高能电子束，寻找它们辐射出来的相对较重的载力粒子。“它或许可以告诉我们，宇宙比我们推测的还要广博得多，”加拿大圆周研究所的物理学家纳塔利娅·托罗（Natalia Toro）说，他正和舒斯特一起进行APEX实验。

好消息是，XENON100和CoGeNT团队有望在今年公布他们第一年的运转数据。更大、更灵敏的探测器，例如大型地下氙实验（LUX）和氙中微子质量实验（XMASS），正计划在不久的将来开始投入使用。“虽然我们现在正处于‘公说公有理，婆说婆有理’的状态，但这种情况不会一直持续下去，”韦纳说，“未来几年内，我们将有足够的信息来平息这一切。”

（正文完）

P1左下图释：

X射线（粉色）揭示出一个星系团中的普通物质，而背景星系的引力透镜（蓝色）则反映出暗物质的分布。

P2上图图释：

暗物质探测器

今天的暗物质探测器比它们的前任灵敏了1 000倍。未来的探测器将具有更大的标靶，使它们变得更灵敏。

XENON100
地点：意大利巨石峰
标靶：161千克液态氙
质量范围：10-100 GeV
开始时间：2009年
发现：无

DAMA/LIBRA
地点：意大利巨石峰
标靶：250千克碘化钠晶体
质量范围：轻暗物质
开始时间：2008年
发现：周年震荡

CDMSII
地点：美国明尼苏达州苏丹
标靶：230克锗晶体、105克硅晶体
质量范围：10-100 GeV
开始时间：2004年
发现：两个事件。背景噪音？

P3上图图释：

CoGeNT
地点：美国明尼苏达州苏丹
标靶：500克锗晶体
质量范围：<10 GeV
开始时间：2004年
发现：数百个事件

LUX
地点：美国南达科他州霍姆斯特克
标靶：350千克液态氙
质量范围：10-100 GeV
开始时间：2011年
发现：尚未开始

XMASS
地点：日本神冈
标靶：1 000千克液态氙
质量范围：10-100 GeV
开始时间：2011年
发现：尚未开始

中间文字

“你必须排除其他所有可能性之后，才能确信自己看到了暗物质湮灭。”

本文作者

亚当·曼是美国华盛顿特区的一名自由撰稿人。