引力效應告訴我們缺失的宇宙就在暗物質里

大型強子對撞機這樣的設備最終能夠探測到暗物質粒子嗎？

那麼這構成宇宙大部分的神秘物質究竟隱匿在何處？科學家們何時才能找到它們？當然，首先要問的是，我們一開始是如何知道暗物質的存在的？

暗物質的發現歷程

暗物質最早是在1930年代由瑞士天文學家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）發現，他對星系團質量的計算數值顯示宇宙中有些質量「缺失」了。因此，不管構成宇宙完整質量的其他物質是什麼，這種物質一定是不發光的，也不會通過除引力之外的其他途徑與其他物質之間發生相互作用。

到了1970年代，美國女天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）發現星系內恆星的旋轉速度不符合牛頓運動定律：她對仙女座大星系的觀測顯示，處於星系內部和邊緣的恆星，它們圍繞星系核心公轉的速度似乎是完全一樣的，而按照正常的牛頓定律，外側的恆星公轉速度應該要比內側的恆星更慢。很顯然，在星系外側邊緣一定存在著未知的質量，某種我們無法看到的質量體。

其他證據來自引力透鏡效應，簡單來說這種效應指的是大質量天體的引力場導致周邊天體光線被彎曲的現象。根據愛因斯坦所提出的廣義相對論，重力能夠彎曲時空，就像當你站在一個床墊上，你站立的地方會向下凹陷一樣。因此即便光子本身是沒有質量的，但由於光線沿空間傳播，空間本身的彎曲會導致光線的彎曲。觀測數據顯示，在某些大型星系團周圍出現的強烈光線彎曲現象沒有辦法用這個星系團中可以觀測到的可見物質的質量來解釋。換句話說，這些星系團的質量比它們看上去大的太多了。

然後是宇宙微波背景輻射（CMB），這是宇宙大爆炸的餘暉，除此之外對於超新星的觀測也得到了相同的結論。美國夏威夷大學物理學教授傑森·庫馬爾（JasonKumar）表示：「宇宙微波背景輻射告訴我們的信息簡單來說就是宇宙在空間上基本是平坦的。這種平坦的含義是，簡單來說，如果你在宇宙中畫兩條穿越整個宇宙的線，它們將永不相交，即便這兩條線的直徑達到數十億光年也仍然如此。而在一個曲率較大的宇宙中，這樣的兩條線將會在空間里的某處相交。」

研究人員隨後計算了宇宙中應當含有多少物質的量，才能保證宇宙是平坦的，並且能夠產生我們在宇宙中所觀察到的那麼多數量的「常規物質」（也稱「重子物質」）。

庫馬爾說：「我問我自己，理論計算顯示宇宙中應當存在的物質的量與重子物質的量相吻合嗎？答案是否定的。」這一差異性為宇宙學家和天文學家們提出了一個強烈的暗示，表明宇宙中應當還存在大量我們看不到的暗物質。這種物質不會發光，也不像質子或者電子那樣具有電性，因此一直到目前為止，暗物質仍然沒有被直接探測到。

庫馬爾說：「這就像一個謎團。」此前科學家們已經嘗試很多種方法試圖實現對暗物質的探測，或者是通過觀察它們與普通物質之間的相互作用，或者是搜尋理論上被認為可能是構成暗物質的粒子跡象。庫馬爾表示：「相關的實驗將會逐漸改善，並且目前看來在取得進展方面還尚未遭遇任何明顯的困難。」

暗物質不可能是什麼？

關於暗物質的本質，此前已經有過多種不同的理論。最早的理論顯得非常直白：科學家們認為暗物質隱匿在所謂的「暈內大質量高密度天體」（MACHOs）中間，比如中子星、黑洞、褐矮星和流浪行星等等。它們不會發光，或者發光性很弱，因此在望遠鏡觀測看來，這些天體往往是不可見的。

然而，對於這類暈內大質量高密度天體扭曲背景星光效應——也就是所謂的「微引力透鏡效應」開展的觀測結果顯示，這一效應無法解釋存在於星系周圍的暗物質規模，甚至連其中的一小部分都不足以解釋。美國費米國家實驗室助理研究員丹·胡珀（Dan Hooper）表示：「暈內大質量高密度天體理論現在已經基本上被排除了。」

暗物質應該也不會是那些因為不發光而難以被望遠鏡觀測發現的低溫氣體雲團。因為儘管自身並不發光，但氣體雲團會吸收來自遠方背景恆星和星系發出的光線並在更長的波段上發出輻射，因此如果暗物質實際上是氣體雲團的話，我們應該會在紅外波段上觀測到強烈的信號。但實際上我們並未觀測到這樣的強烈信號，因此這一可能性也就被排除了。

暗物質可能是什麼？

「弱相互作用大質量粒子」（WIMPs）理論是近年來最有希望解釋暗物質本質的候選理論之一。WIMPs是質量非常大的粒子，其質量值可以達到質子的10~100倍。它們產生於宇宙大爆炸過程當中，儘管時至今日僅有很少一部分仍然殘留下來。這類粒子會與常規物質之間存在引力或弱核力的相互作用。質量較大的WIMPs粒子在空間移動的速度更慢，因而被稱作是「冷」（cold）的暗物質候選體；而那些質量相比稍輕的WIMPs粒子，其在空間移動的速度更高，因此被稱為是「溫」（warm）的暗物質候選體。

搜尋這種粒子的方式之一被稱為「直接探測實驗法」，比如在美國南達科塔州的一個礦井中正在進行的「大型地下氙實驗」（LUX），它使用大量的液氙對這類粒子進行探測。如果科學家們觀察到氙原子核出現無法解釋的晃動現象，那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞擊。而氙原子核晃動的幅度則能夠讓科學家們對WIMPs粒子的質量給出估算。但是到目前為止，LUX實驗還尚未得到任何結果。

搜尋WIMPs粒子的另一種可能途徑則是加速器裝置。在加速器內部，原子核以光速相撞，在此過程中產生的巨大能量將會轉化為其他類型的粒子，其中一些是科學家們此前從未觀測到過的。但到目前為止，粒子加速器並未探測到任何性質上似乎與WIMPs粒子相接近的粒子信號。

不過儘管到目前為止似乎這兩種途徑都未能獲得突破，但庫馬爾指出，相關實驗上取得的進展已經為這種理論上可能存在的暗物質粒子可能的大小和質量設定了限定值。LUX的靈敏度達到200

MeV，這相當於質子質量的1/5左右。理論上它能夠觀測質量最高達1

TeV的粒子，這已經與某些類型的夸克相接近。由於LUX裝置到目前位置仍然沒有觀測到任何信號，這就意味著在此質量（能量）範圍內排除這種理論上存在的暗物質粒子存在的可能性。

庫馬爾表示，WIMPs粒子的質量有可能會非常大，如果情況的確如此，這就意味著它們的數量不會特別多，因此它們中的單個粒子碰撞氙原子核的概率也就會很低。

在理論物理學界還有另外一種針對暗物質粒子的候選理論，也就是所謂的「軸子」（axions）。這些亞原子粒子能夠在其發生湮滅反應，或是衰變為其他粒子時使用間接方法探測到，或者通過粒子加速器進行搜尋。但是同樣的，到目前為止，科學家們在這種理論粒子的搜尋方面還是一無所獲。

困難重重

由於對大質量，緩慢移動的「冷」候選粒子的探測，比如WIMPs或軸子的探測遲遲未能獲得進展，一些科學家開始設法尋找那些更輕、移動速度也更快的粒子，也就是科學家們所稱「溫」的暗物質粒子。而在科學家們利用錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡在英仙座星系團內發現一種全新未知粒子的跡象之後，科學界對於這一暗物質模型的興趣被重新點燃了。英仙座星系團是一個巨大的天體集群，距離地球大約2.5億光年。該星系團會發出特定波長的X射線輻射，但是在2014年，科學界們檢測到一種不同波長的輻射，其背後可能對應一種此前未知的輕質量粒子。

美國麻省理工學院的物理學家特雷西·斯拉特爾（Tracy Slatyer）表示，如果暗物質粒子的質量是小的，那麼科學家們要想實現對它們的直接探測將會困難重重。斯拉特爾認為，組成暗物質的可能是一類全新的粒子。他說：「如果暗物質粒子的質量低於1GeV，那麼運用傳統實驗方法想要進行直接探測將會非常困難，因為其探測原理是觀察原子核出現的無法解釋的晃動信號，但如果暗物質粒子的質量遠小於受到撞擊的原子核質量的話，那麼這樣的晃動信號將會非常微弱。」質子，也就是氫原子的原子核，其質量不會小於938MeV，因此一個質量僅有KeV量級的粒子，其質量值就比質子小了1000倍。斯拉特爾表示：「想像一下讓一個乒乓球去撞擊一個保齡球，你會發現保齡球根本就不會動，這其中的道理是一樣的。」

斯拉特爾表示，當前學界有很多的探討，關於如果目前搜尋暗物質的各種方法最後歸於失敗，那時候該怎麼做？他們已經提出了各種各樣的初步設想，從利用液氦的超流體性質，到半導體技術，再到利用晶體中化學鍵的性質，不一而足。

庫馬爾表示，暗物質之所以顯得如此神秘，其中一個很重要的原因就在於科學家們認為他們了解，至少在一定程度上了解宇宙大爆炸時期的核合成過程，也就是宇宙中物質產生的機制。此前成功預言了希格斯-玻色子存在的粒子物理學標準模型到目前未知一直都十分成功，因此除非所有人都犯了某種根本性錯誤，否則很難解釋為何到目前為止全世界仍然沒有能夠探測到暗物質粒子。

舉例而言，如果暗物質粒子與現有模型預測的結果非常不同，那麼一種可能便是我們的加速器將很難探測到它們的存在。類似大型強子對撞機（LHC）這樣的裝置更擅長搜尋具有強核力相互作用的物質，因為它們會衰變成為其他類型的粒子。如果暗物質粒子也具有類似性質，那麼像大型強子對撞機這樣的設備就有希望能夠找到它的蹤跡，但如果不是這樣，那麼情況就會完全不同了。