為什麼要搜尋暗物質？因為科學家想要撓「癢」，一個宏大的「癢」

這是科學界缺失的最大一塊拼圖：我們能觀測到的物質，僅占所有物質的百分之五。本文所講述的，是史詩般的暗物質搜尋之旅。

位於加拿大安大略省的SNOLAB實驗室

加拿大有一座獨特的礦井，名為克雷頓礦。它位於安大略省薩德伯里郊外的森林。在那裡，好奇的熊類常常出沒，到人們後院覓食覆盆子。礦工們頭戴藍色安全帽，前往地下開採鎳礦。他們在漆黑之中，踏入半開半合的升降機，顫顫巍巍地下探到空曠的洞穴內；和他們同行的，還有另一群頭戴橙色安全帽的人。這些人的目的截然不同，他們要開採的，是一片虛空。

至少到目前為止，還是一片虛空。

他們是一群物理學家，供職於巨型地下實驗室SNOLAB。其深度達2公里，能摞下四個半帝國大廈。SNOLAB的探測器巡視整個宇宙，搜尋一種稍縱即逝的東西：暗物質。人們相信，宇宙中絕大部分物質都由它構成。

這是一場宏大的搜索，但截至目前，我們依然一無所獲。

眼下，在宇宙所有物質中，我們能探測到的僅占區區5%，它們構成了所有的星系、恆星、行星、黑洞、類星體、脈衝星、中微子——以及人類和其他所有地球生命。除去它們，其餘都是未知的東西：暗物質（25%），乃至更加神秘的暗能量（70%）。我們能觀察到暗物質對恆星和星系的引力作用，但經過百般嘗試，就是無法用任何儀器，捕捉到它的「暗」粒子。

撓一個宏大的「癢」

為什麼要費力捕捉？誠然，我們無法使用暗物質，製造出新一代的宇宙智能手機，也不能用它點石成金。但通過觀察暗物質，我們或許能夠理解：星系何以聚而不散——以我們觀測得到的原子物質來看，它們早該分崩離析了。畢竟，我們所處的銀河系，據信就窩在一大片暗物質之中，那就是所謂的暗物質暈。

尋找暗物質還有助於解釋深空觀測中的光學錯覺——即在望遠鏡觀測結果中，一些星系帶有奇怪的光弧或光環。研究人員說，這些星系的前景中，有一大團暗物質，其作用相當於巨大的引力透鏡，扭曲了來自星系的光，並放大了星系的成像。這種現象被稱為引力透鏡效應。

簡而言之，科學家搜尋暗物質，是為了撓癢——一個宏大的癢。「夜深人靜時，你久久不能入睡，思索著『這一切究竟意味著啥？』就是這樣一種癢。」德國弗賴堡大學的實驗物理學家丹尼爾·科德雷（Daniel Coderre）說。

研究人員乘坐升降機，下到2千米深處，再在礦井中徒步穿行1.4公里，才能抵達SNOLAB實驗室。

「沒有結果」不等於一無所獲

喬·沃爾丁（Joe Walding）是倫敦大學皇家霍洛威學院的一名物理學家，常去SNOLAB工作。他踏入上下兩層的升降機，下探過程需要約六分鐘，而且不適合膽小人士：升降機內沒有照明，伸手不見五指；頂部是半開放式的，下探過程伴隨劇烈的搖晃和撞擊，暈厥現象時有發生。「胳膊自然是不能伸出去的，不然會折斷。」沃爾丁半開玩笑地說。

他心情不錯——這陣子，這裡很多物理學家都是如此：今年5月，SNOLAB的科學家接到一則好消息。美國能源部已經批准向該實驗室（於2011年啟動）撥款，用於建造全新的暗物質實驗探測器，定於2020年啟動運行。這個超敏感的SuperCDMS將耗資3400萬美元，其性能超過該領域任何探測器。它的任務，是發現其他任何探測器都未發現的東西——是不是有些艱巨？

自70年代以來，大把大把的金錢砸入暗物質實驗，不論是在太空，還是地下。經過數不盡的挑燈夜算，以及鋪天蓋地的媒體報道，研究人員始終兩手空空。除SNOLAB之外，我們還有LUX實驗，它地處美國南達科他州，在一座廢棄的地下金礦內，距地面1.6公里，但至今一無所獲。法國還有EDELWEISS實驗，在阿爾卑斯山下，位於1.7公里的岩石下方，同樣毫無進展。中國有PandaX實驗，位於貴州錦屏地下實驗室，但也沒有找到任何粒子。去年，印度的賈杜戈拉地下科學實驗室啟動，距地面550米，在一座運營中的鈾礦內。目前也是毫無收穫（畢竟只找了一年）。如此種種，不一而足。

盛行的理論是，構成暗物質的粒子只通過引力——即施加引力——與普通原子物質或光，產生相互作用。SuperCDMS所要尋找的，是這種奇特粒子中的一類：大質量弱相互作用粒子（WIMP）。這是最主要的暗物質候選粒子（也有說是可能性最大的粒子），是多個探測器搜尋的對象。為了創造這些粒子，科學家甚至動用了世界上規模最大、性能最強的粒子加速器：位於日內瓦附近的大型強子對撞機（建造成本近70億美元）。但也是徒勞無獲。

尋找一種未知的事物，雖然一無所獲，但還是能要到經費，繼續竹籃打水——這樣的情況還能維繫多久？其實，對畢生追尋暗物質的研究人員來說，「沒有結果」的重要性絲毫不亞於有所發現。

「唯一的區別在於：找到了暗物質，你能得諾貝爾獎；但與之同等重要的，是限定暗物質存在的區間。」義大利國家核物理研究所的物理學家沃爾特·富爾吉奧內（Walter Fulgione）說。因為，將這個界限不斷收緊，就能排除看似可行的假說，縮窄搜索範圍。畢竟，1916年，愛因斯坦就預言了引力波，但探測它用了一個世紀；希格斯玻色子也是歷經近半個世紀，才被大型強子對撞機捕獲。研究人員清楚自己在尋找什麼，經過年復一年的一無所獲，他們得以收緊搜索範圍。「這場遊戲的玩法，就是通過日積月累，穩步推進，慢慢縮減可能的模型範圍。」美國費米國家加速器實驗室（FNAL）的天體物理學家丹·胡珀（Dan Hooper）說。

阿維·勒布（Avi Loeb）是哈佛大學的一名天文學家，他將科學描述為「一座知識的孤島，四面被無知的海洋所圍繞。」在一片沙漠中，要找到一頭獅子，你可以不斷擴大沒有獅子的區域，使剩下區域不斷縮小，最終鎖定獅子的足跡，他說。但這樣做的前提，是你知道沙漠里有獅子。好在，多數研究人員都認為，和沙漠之獅一樣，暗物質是存在的，它就在某個地方。

子彈星團由兩個相互撞擊的星系團構成，呈現出暗物質存在的證據。

升降機砸到克雷頓礦的井底，經過一頓竄，總算停穩當了。要抵達SNOLAB，研究人員還得穿越近兩公里黑暗、狹窄的隧道，從鎳礦礦工和採礦設備旁，小心地繞行。

但他們要留意的，還不只是採礦作業。在地面上，礦井周圍常有熊出沒。一次，一名研究人員出外吸煙，突然跟三頭未成年黑熊打了個照面。一頭熊還把頭湊到了他的膝蓋旁。「他一回來，就猛喝酒壓驚。」回憶起當時的場景，沃爾丁忍不住笑了。

這座鎳礦啟動於上世紀20年代，但物理實驗室1992年才成立。之所以選在地下深處，不是因為地面上空間不夠，而是為了屏蔽宇宙射線的高能粒子，以免高靈敏度的探測器受到干擾。這些粒子通常是質子，來自宇宙中的遙遠角落，到地球大氣層中，化成其他無數粒子，散落下來，每時每刻，我們都接受著它們的洗禮。「我們尤其擔心的是介子，它們會跟探測器周邊的物質發生反應，形成中子，跟暗物質信號混淆。」 科德雷說。不過，厚厚的岩層可以攔截它們，消去這一背景噪音。

雖然SNOLAB（以及別處）的暗物質搜尋至今無果，但在克雷頓礦的幫助下，有一位科學家——阿瑟·麥克唐納（Arthur McDonald）——憑藉中微子研究，榮獲了2015年諾貝爾物理學獎。

中微子是一種幽靈般的粒子，幾乎沒有質量。在超新星爆發等激變發生時，恆星的內核會產生中微子，但地球上也會產生中微子。就像暗物質一樣，曾經的它也只是存在於理論中，最早提出於1930年；歷經26年，第一顆中微子才被探測到。

為容納SuperCDMS，實驗室將進行升級，增加供電、照明和製冷能力。新的實驗裝置將包含一個固態鍺硅探測器，被冷卻到極端低溫，跟絕對零度只差絲毫。探測器將由膠囊式的外殼包裹，投入一個水箱，這些水也是一種屏障，可以削減礦井射線的背景噪音。裝置的很多組件將在地面實驗室組裝並測試，包括費米實驗室、SLAC國家加速器實驗室和西北太平洋國家實驗室（PNNL）等地，但最後組裝將在地下進行，由SNOLAB完成。

要是SuperCDMS還是毫無斬獲呢？同一座礦井中，還有其他一些實驗，比如DEAP-3600實驗，它的技術略有不同，即使用惰性氣體氬氣，探測WIMP粒子。沃爾丁就從事於這項實驗。在新實驗開展的同時，這些探測器將繼續搜索WIMP。

但對科德雷而言，圍繞暗物質理論，「沒有結果」反而提供了一種重要的反饋，迫使理論作出調整。「一無所獲固然令人失望，但搜尋一種全新的東西就是這樣，這是你必須接受的一種結果。」他說，「暗物質問題存在一個正確答案，現在，這個答案隱藏起來了，而我們正在盡全力找到它。」

這意味著多條「戰線」同時出擊。在廢棄和正在運營的礦井中，在大山深處，在太空之中——很多實驗都在搜尋WIMP。真正的關鍵，在於跨越幾十年的穩步積累，慢慢縮小暗物質可能模型的範疇。

「SuperCDMS很可能在它的這條戰線上取得紮實的進展。」胡珀說。他還表示，新探測器將聚焦一個新的WIMP質量區間，比其他探測器假設的質量要輕很多。儘管其他實驗失敗了，但SNOLAB未來實驗的勝算並不會因此降低，因為它可以縮小暗物質候選粒子的區間。

當今最靈敏的暗物質探測器

鑒於SuperCDMS還處於規劃階段，我們不妨將視線轉向義大利。

在距羅馬一小時車程的亞平寧山脈之下，科學家歷經幾十載，一直在獵尋暗物質。他們的暗物質探測器位於拉奎拉市附近。為抵達實驗室，你要進入一條10公里的隧道，開上七分鐘，直抵最高峰大薩索山的底部。在一個特殊出口拐出，按一個按鈕，再用義大利語向門衛自報家門，接著，兩扇巨大的金屬門緩緩開啟，空曠的洞穴展現在你眼前，那就是大薩索山國家實驗室——這裡坐落著當今世界最靈敏的暗物質探測器——XENON1T。

實驗室成立於1984年，頭二十年里，主要研究對象是中微子和宇宙射線。2002年，第一台探測器XENON10啟動。此後，它一路升級到XENON100，如今已是XENON1T，試圖捕捉WIMP與普通物質的相互作用。

實驗室的地下空間碩大無朋，分成三個「大廳」，每個長約100米，寬20米，高18米。XENON1T就處在其中一個。每個大廳都有自己的實驗，所有實驗加起來有18項。它們涉及各種課題，從探測太陽中微子，到探究太陽內部，到試圖捕捉馬約拉納費米子（一種假想粒子）的世界最大探測器。約有950名研究人員供職於該實驗室，他們來自32個國家。

在暗物質大廳，最大的架構是一個直徑10米、高11米的巨型水箱，很像裝糧食的筒倉。它的旁邊，是一個三層玻璃建築，裡面塞滿低溫管、泵、製冷器、子系統和電子設備，它們的目的只有一個：維護探測器。探測器本身位於水箱內部，封在一米厚的不鏽鋼低溫恆溫器內。探測器和周圍一切都由低放射材料製成，旨在削減背景「噪音」——就像在SNOLAB一樣，放射性材料會發射出電子、伽馬射線或中子，被探測器捕獲；罕見的暗物質粒子要是真的出現了，也會被淹沒其中。為進一步抑制不必要的背景干擾（比如宇宙射線），低溫恆溫器被浸入水箱，由700噸水所環繞，另外，頂上1400米的岩石也發揮了不小的屏蔽作用。

在低溫恆溫器內部，兩噸超低溫液氙將儀器包裹了起來。氙氣不僅無色無味，而且是地球上最稀有的元素之一，主要產地是俄羅斯、南非和沙特，是鍊鋼的副產物。

總有一些電子、伽馬射線，以及偶爾來自大氣的介子，可以突破重重阻礙，闖入探測器內部。而氙原子被這些粒子激發時，會發射出細微的閃光，這是很多稀有氣體的共同屬性。而液氙有著強大的制動能力——它對路過的粒子十分敏感。

這些閃光會被光學設備捕捉，並進行分析。到目前為止，所有信號都被否定了。「我們要找的，是一種前所未見的信號。只有對背景噪音了如指掌，且背景噪音足夠低，這才行得通。」科德雷說，他曾任XENON1T的分析協調員。

XENON1T於2016年啟動運營，今年5月發表了最新一批數據，依然沒有結果。但科學家表示，他們給暗物質效應值限定的區間，達到有史以來最窄：1平方厘米的萬億分之一的萬億分之一，即4.1x10-47平方厘米。效應值又稱截面，代表WIMP與普通物質——氙原子——相互作用的強度。為確定效應值，科學家梳理了279天的數據，按照估算，這期間最多可錄得十場暗物質事件。結果，什麼都沒有——也就是說，WIMP肯定比之前假定的還要小。

不論在地下實驗室，還是山脈附近的研究設施內，任何時候都有兩人值班。他們用平板電腦遙控操作探測器，持續關注數據讀數，以免錯過暗物質粒子。參與該實驗的約有160名科學家，他們來自美國、歐盟和亞洲的26所科研機構。

為確保探測器一塵不染，並盡量避免探測器材料表面或內部進灰，從而混入放射性雜質，在組裝時，研究人員要「全副武裝」，外套、面罩、靴子等一應俱全。哪怕是一個指紋，都可能毀掉多年的努力。

很快，這一切又要從頭來過——今年12月至明年1月，XENON1T將被關停，取而代之的，將是更大的XENONnT。這次更新換代將耗資數千萬歐元，由協作各方分攤。外層水箱還是那一個，但這一次，液氙將從2噸變成6噸。新儀器的數據處理工作，預計將於2019年底啟動。

如果依然毫無所獲，大薩索山的科學家很可能換成更大的探測器，再作最後一次嘗試，再不行就要換技術了。「隨著大型強子對撞機和XENON大型暗物質實驗進入下一階段，對傳統大質量WIMP的搜尋自然會有結論。」費米實驗室的丹尼爾·鮑爾（Daniel Baur）說，「未來幾年，暗物質被發現的概率還是有的，但要是沒發現，通行的WIMP理論可能就不是正解了。」

暗物質搜索「都找錯了對象」？

儘管WIMP探測器仍在孜孜以求，但越來越多的科學家圍繞暗物質本質，發展起了別的理論，並試圖利用實驗，進行捕捉。科學家從各個方向入手，試圖拼出暗物質的拼圖。其中的「拼塊」有軸子——質量遠遠更輕的假想暗物質粒子；以及惰性中微子——一種中性粒子。

日本衛星「瞳」在運行數周后，突然自行解體。

軸子並不是一個新概念，它最早提出於1977年，按照假設，它比WIMP輕得多。幾十年來，它反覆徘徊於得寵與失寵之間。但如今，鑒於所有WIMP捕捉器都無功而返，很多科學家開始退而求其次，將軸子作為求證對象。

按照理論，軸子與光子會發生相互作用——作用力非常微弱，但依然存在。華盛頓大學的軸子暗物質試驗（ADMX）就是以此為切入點，試圖捕捉軸子。不同於SNOLAB和XENON1T，ADMX就在一個普通實驗室內。探測器裝在一個約四米高的水箱里，由一塊很大的超導磁鐵和一個微波諧振腔組成，原理類似於無線電接收器，華盛頓大學物理學家格雷·萊布卡（Gray Rybca）說。就好比研究人員有一台收音機，要在不知道頻率的情況下，搜索一個電台，於是，他們一點一點地扭動旋鈕，試圖在頻率恰好調對時，收聽到一個信號。

磁鐵會產生強大的電磁場，軸子若是穿過其間，會發出相應的電磁輻射，其能量轉化為一種微弱的微波信號，被接收器記錄下來。研究人員可以用量子電子學，將其探測出來。比起宇宙射線或放射性活動，該實驗尋找的信號，能量要低得多，因此ADMX不需要岩石或水的掩護。但手機、無線網路和電視信號還是要屏蔽的。「它就是一部無線電接收器。唯一的區別在於，實驗的第一個步驟，是將軸子轉化為無線電波。」萊布卡說。

ADMX建於1995年，已經有些年頭了。2010年，它從勞倫斯利弗莫爾國家實驗室遷至華盛頓大學。科學家表示，經過不斷的升級，以它現在的靈敏度，終於能探測到軸子導致的弱相互作用了。

ADMX的溫度是攝氏零下273度，只比絕對零度高0.15度。「製冷和液氦循環方面要投入大量的工作。」萊布卡說。因為有液氦，探測器才能維持如此低溫，而且這一點非常重要，因為超導磁鐵和量子電子設備要運轉，溫度必須足夠低才行。另外，探測器越冷，背景噪音就越少，探測到的信號就越清晰。

多數情況下，實驗室里都安安靜靜，空無一人，因為數據獲取基本是自動化的。不過，研究人員還是要通過互聯網，夜以繼日地控制與監測實驗進展。每年，實驗都要停運一次，科學家將系統升溫至室溫，將磁鐵內部的探測器取出。「這是實驗室里最熱鬧的時候：所有人都戴著頭盔和低溫安全手套，小心翼翼地把系統挪到無塵室，在那裡，我們會用幾個月時間，給系統安裝更新。」萊布卡說。

他堅信，到目前為止，暗物質搜索「都找錯了對象」。他說，以ADMX的靈敏度，它足以探測到恰當的信號，剩下要做的，就是在可能的質量中，一個個找過去。「我們終於將音量調得夠高了，現在，我們只需轉動調頻旋鈕，直到聽到信號。」他說，「我們的勝算不錯，比以往任何時候都要高。」

眼下，ADMX正在研究 4G-LTE手機頻段對應的頻率，但研究人員也在研發新技術，以探索頻率更高的Wi-Fi頻段，以及頻率較低的調幅廣播等頻段。今年4月，ADMX發布最新結果——依然是沒有結果，但對萊布卡而言，這很重要，因為這表明，該探測器具備尋找軸子所需的靈敏度。「如果我們把所有可能的質量掃描了個遍，還是沒有結果，其重要性就會從另一個層面體現出來：我們預期軸子是存在的，因為某些核物理現象的解釋離不開軸子。若找不到軸子暗物質，我們就面臨一個問題：要麼我們還不夠理解核物理，要麼我們對早期宇宙的了解還不夠深入。因此，沒有結果的結果會衍生出大量問題。」

在捕捉暗物質的行動中，很多科學家都忙著另闢蹊徑。很多人甚至另闢引力理論，去解釋不需要暗物質、暗能量的宇宙運行方式。不過近期，針對引力波（由兩顆中子星碰撞所產生）的直接觀測結果出爐，上述理論被幹掉一大片。因此，「暗物質存在」這一猜測依然站得住腳。

義大利大薩索山下1400米處，XENON1T探測器被裝在一個巨型水箱內。

假想粒子備用理論

若找不到軸子或WIMP，我們還有一個備用理論：惰性中微子。這是一種假想粒子，只通過引力相互作用，而不是像「普通」中微子那樣，與普通物質產生微弱的相互作用。

其理論是，特定質量的惰性中微子可能會衰變，產生一種X射線光譜特徵，而這種特徵能夠被X射線光譜儀探測到。於是，日本宇宙航空研究開發機構JAXA聯手美國宇航局（NASA），於2016年2月17日發射衛星「瞳」，希望它能充當那個光譜儀。只可惜，它沒有堅持多久，在對英仙座星系團作了一番初步觀察後，「瞳」突然解體成五塊，當時，它只運行了三周。

這顆衛星造價2.73億美元，可謂損失慘重。但科學家並沒有灰心，美國和日本已經造出了替代品——一顆名為XRISM的衛星。未來，它將搭載高解析度X射線光譜儀Resolve和成像儀Xtend，發射升空。該項目已於7月1日獲得日本批准。據估計，新光譜儀的建造成本介於7000萬至9000萬美元之間。

團隊將新的光譜儀命名為Resolve（兼有「解析」和「決心」之意），是為了「賦予它更多的含義：既代表功能——將構成X射線的顏色解析出來，也代表決心——團隊儘快恢復『瞳』擱置進度的決心。」理查德·凱利（Richard Kelly）說，他是光譜儀的美方首席研究員。新的光譜儀將根據探測器接收到的熱量，對光子進行探測。其運行溫度將只比絕對零度高0.06度。它將觀測星系團和單個星系，對照科學家對惰性中微子衰變的預測，尋找那個標誌性的光譜特徵，看看有沒有與之相符的能量與強度。

它是基於一種假設，即X射線被探測器的微型像元吸收後，將能量轉化為熱量，而這些熱量會被顯微測溫儀精確記錄下來。Resolve將對X射線進行逐一探測，然後圍繞這些能量，形成一個柱狀圖，即光譜。「按照預期，惰性中微子應該有一個特定的能量值。如果這個能量值處在X射線頻段內，我們就能用Resolve，探測單個中微子，進而圍繞它們的能量，生成柱狀圖，也就是光譜。」凱利說。如果這些中微子的能量界限分明，我們就有可能在光譜中，看到一條狹窄的特徵線。

XRISM應該在2020年4月到2021年3月期間發射。最後要是一無所獲，那麼還是一樣：沒有結果不代表沒有意義。「在候選的暗物質粒子中，惰性中微子的可能性就可以排除了，這樣一來，候選範圍將大幅縮小。」馬里蘭大學天文學家理查德·穆肖斯基（Richard Mushotzky）說。

對參與其中的研究人員而言，搜尋暗物質有兩種結果。借用著名物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）的話：「若假設被證實，你完成的是測量；若假設被證偽，你完成的就是發現。」在看似沒有止境的暗物質搜尋過程中，「沒有發現」的發現承載著重大的意義。

翻譯：雁行

審校：李莉

編輯：漫倩

來源：Wired

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