30年未果科學家質疑暗物質探尋越走越黑

圖片來源：Matt Kapust

　　自從天文學家發現宇宙中大部分物質都是無形的，他們就試圖找出這些模糊的東西可能是什么。不過三十年日益復雜的搜尋仍未發現暗物質的跡象，導致科學家開始質疑關于這種難以捉摸的物質的一些基本觀點。

　　去年10月，尋找暗物質主要候選組成粒子(理論粒子WIMP)證據的最靈敏實驗發布報告稱，沒有結果，這令科學家再次失望。現在，一些研究人員正重新審視，認為曾經的候選粒子不太可能存在。物理學家仍無法證明暗物質存在，但它存在的跡象又是實質性的。只有在宇宙中重力物質比可見的原子和分子物質更多時，恒星和星系的運動似乎才能被解釋。通過重塑愛因斯坦廣義相對論中的重力規則以修正這種矛盾的努力反復遭遇失敗。

　　WIMP一直被用來解釋暗物質，部分原因是它們可以匹配物理學中其他流行的觀點，例如超對稱性——宇宙中所有已知的粒子都存在尚未被發現的伙伴粒子。科學家認為，這些超對稱粒子中最輕的便是WIMP，可以構成宇宙中的暗物質。探測WIMP的努力從20世紀80年代開始就一直在持續，但是沒有一次成功。最近，在美國南達科他州進行的大型地下氙(LUX)項目是迄今為止最靈敏的相關搜索，它報告稱，3個月的數據并沒有顯示暗物質的任何跡象。

　　LUX的合作發言人、布朗大學的Richard Gaitskell估計，超過一半的可能的WIMP模型已經被證明是錯誤的。未來的5年或者10年中，WIMP搜索應該會基本結束，最終會以未發現這些粒子或者基本上排除了它們的存在而告終。但是如果暗物質并不是由WIMP構成的，那會是什么呢?

　　被稱為軸子的理論粒子是另一個經常被提及的候選粒子。軸子的質量要比WIMP小得多，與普通物質的相互作用可能更少，它們更難以尋找，該部分解釋了為何如今只有一個主要實驗在尋找軸子，而十幾個項目卻在搜尋WIMP。不過，軸子也有一個更加堅實的理論基礎，可以很容易地解釋宇宙中存在的大量暗物質。

　　“我并不理解，為何軸子被列為二號。”軸子暗物質試驗(ADMX)負責人、華盛頓大學的 Leslie Rosenberg表示，“我想改變這一順序，不過這是我的意見。”ADMX開始于1995年，但目前為止尚未發現軸子暗物質的存在跡象。 Rosenberg預測，在3年內，該項目將會發現軸子或者證明軸子確實存在。

　　隨著對WIMP和軸子的搜尋接近尾聲，而且尚未有成功的跡象，越來越多的理論家正在考慮替代方案。Rosenberg說：“當人們緊張于WIMP時，其他候選粒子開始顯露出來。”有人認為，宇宙中大量的小型黑洞可以解釋暗物質。天文目標搜索并沒有發現這樣的黑洞的跡象，這些黑洞應該在一個被稱為引力透鏡的效應中使來自背景物體的光線發生曲折。

　　另一個越來越讓科學家感興趣的可能性是夸克物質——由夸克組成的物質的極端密集階段。夸克物質可能是在非常巨大的中子星中產生，如果數量足夠，一些夸克星群不會發出光，但是完全可以對普通物質產生引力。

　　這只是對暗物質許多可能解釋中的一些。“我懷疑，我們已經想遍了所有的可能性。”哈佛大學的訪問物理學家Matt Strassler稱，“我們可能會是幸運的”，并很快找到答案，“或者也可能會再拖100年甚至更久”。

　　最可怕的可能性也許是，暗物質是由一些不可能找到的東西組成的—— 一些只能通過重力與普通物質相互作用的粒子。在這種情況下，研究人員將沒有希望利用探測器找到它。“如果我們進入一個模式，最有可能的粒子又不能被探測到，這就是最經典的科學挑戰：即如何驗證這樣一個理論?”Gaitskell問道，“在這一點上，科學家面臨的幾乎肯定是失敗—— 一個幾乎不可能被測試的理論。”

　　也許值得慶幸的是，這種粒子似乎不可能基于理論的角度。“如果有一個只能通過引力進行相互作用的粒子，人們就不得不問，它最初是如何在宇宙中產生的。”斯坦福大學理論物理學家Peter Graham說，“軸子和WIMP都有非常好的自然產生機制，以及為何會如此豐富。這就是其他模型并不受歡迎的原因。”盡管如此，這仍然是紙上談兵。

　　即使物理學家不能直接探測暗物質粒子，他們還是堅持著希望：也許會通過歐洲大型強子對撞機(LHC)等粒子加速器發現暗物質存在的間接證據。LHC可以在強力撞擊質子時，產生WIMP或者其他暗物質候選粒子。另一個希望是，如果兩種粒子接觸時，暗物質會湮滅自己，那么像來自銀河系中心的γ射線等天文信號也許會揭示暗物質粒子的出現。科學家聲稱發現了這種跡象，但遠未確定。

　　最終，仍在進行搜尋的大多數物理學家稱，他們并不關心其特定的暗物質理論是否被證明是正確的，只要他們最終能夠得到一個答案。另一個WIMP探測實驗——低溫暗物質搜尋計劃(CDMS)負責人、來自斯坦福大學的Blas Cabrera說：“就像在所有的研究中，從來都沒有成功的保證。我們可以做的就是繼續努力回答大多數重要的科學問題。”最近，越來越多的物理學家面臨著失敗的可能。“如果我們沒有發現暗物質，那么我會極其失望。”Rosenberg表示，“這是在我們的掌握之中，而我真的想知道它是什么。”