為什麼？發現暗物質的最佳地點會是岩石中？

暗物質或許會與地球上的礦物發生相互作用，留下線索以待物理學家研究。地球上二十多個地下實驗室的科學家們正在努力尋找暗物質存在的證據。雖然實驗過程越來越複雜，搜索也越來越精確，然而，除了義大利實驗室發出備受爭議的信息外，還沒有人找到神秘物質存在的直接證據。暗物質物質被認為佔據了宇宙物質的84%。一項新的研究表明，我們應該進行更深入的研究。暗物質不同於普通的重子物質，除了通過引力(或許還有微弱的核力)它不會與任何物質相互作用。也無法看見它，但物理學家們幾乎可以肯定暗物質存在於塑造星系和它們的宇宙路徑中。

博科園-科學科普：幾十年來，暗物質粒子的理想候選者一直是弱相互作用大質量粒子(WIMPs)。許多實驗都是通過尋找弱相互作用大質量粒子出現並撞擊普通物質的證據來證明弱相互作用大質量粒子存在。在這種情況下，弱相互作用粒子會通過弱作用力撞擊原子核，受撞擊的原子核會反衝並釋放出某種形式的能量，如閃光或聲波。探測這種幾乎覺察不到的現象需要埋在地底深處非常靈敏的儀器。由於宇宙射線也會導致原子核反衝，將儀器埋藏在地底深處可以屏蔽宇宙射線帶來的影響。

類似於橄欖石的礦物可以保留很久以前原子核和暗物質發生碰撞的痕迹。圖片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

在搜尋微弱脈衝信號幾十年後，科學家們幾乎沒有確鑿的證據來證明這一點。現在，波蘭、瑞典和美國的一組物理學家有了另一個想法。科學家們認為，不要只將關注點集中在地殼下探測器中的鍺、氙和閃爍體，也要關注地殼本身。在保留著太陽系過去的岩石記錄中，可能會發現撞擊原子核的反衝化石，以及一個弱相互作用大質量粒子的冰凍印記。密歇根大學(University of Michigan)理論物理學家凱瑟琳·弗雷斯(Katherine Freese)說：我們一直在尋找替代方法。根據弗里斯和同事們的說法，地下古生物探測器的工作原理與目前的直接探測方法類似。

凱瑟琳·弗里斯為暗物質探測器貢獻了許多想法，其中一些想法已經變成了現實。圖片：John Smock for Quanta Magazine

為了實時觀察弱相互作用大質量粒子的反衝過程，科學家們在實驗室中裝備了大量的液體或金屬，用於尋找弱相互作用大質量粒子撞擊原子核的化石痕迹。當原子核反衝時，它們會在某些礦物中留下損傷痕迹。如果原子核以足夠的能量反衝，被擾動的原子被深埋在地下(以保護樣本不受可能使數據變得混亂的宇宙射線的影響)，那麼反衝軌跡就可以被保留下來。如果事實如此，研究人員也許能夠挖出岩石，剝離時間層，並利用原子力顯微鏡等先進的納米成像技術探索很久以前的事情。最終的結果將是一個化石軌跡：暗物質將類似於發現蜥腳類動物逃離捕食者時的足跡。

1、微弱的訊息

大約五年前，弗里斯開始和安傑伊·德魯科爾（Andrzej Drukier）討論新探測器的類型。安傑伊·德呂基耶是斯德哥爾摩大學的物理學家，他的職業生涯從研究暗物質探測開始，之後轉向生物物理學領域。他們與生物學家喬治·丘奇(George Church)共同提出了基於DNA和酶反應的暗物質探測器的想法。2015年德魯科爾前往俄羅斯新西伯利亞，研究一種藏在地球表面下的生物探測器原型。俄羅斯冷戰期間的挖掘的深井讓德魯科爾十分感興趣。這些井深達12公里，宇宙射線都無法穿行那麼遠。典型的暗物質探測器相對較大，對突發事件高度敏感。搜索工作持續了多年，大多數情況下，他們在尋找實時的弱相互作用大質量粒子訊息。

地球繞著太陽轉，而太陽繞著銀河系轉，地球相對於暗物質瀰漫星系的速度變化，應該會導致DAMA實驗檢測到的暗物質數量的變化。圖片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

雖然礦物相對較小，對弱相互作用大質量粒子的相互作用不那麼敏感，但它可能成為一項持續數億年研究的典範。德魯科爾說：從極深的地核中取出的大塊岩石實際上有十億年的歷史，越往深處探尋，岩石就越古老，所以你或許不需要建造一個探測器，因為地面上有一個探測器。地球充滿了放射性鈾，當它衰變時會產生中子，中子也可以撞擊原子核。弗雷斯說，研究小組最初描述古探測器的論文沒有考慮到鈾衰變產生的噪音，但其他感興趣的科學家發表了大量評論，讓他們回去修改。研究小組花了兩個月的時間研究了數千種礦物，以了解哪些礦物是從鈾衰變中分離出來。

石鹽通常被稱為岩鹽，是一種超基性岩石，可能被用作暗物質探測器。圖片：Géry Parent

這些科學家認為，最好的古生物探測器應該由海洋蒸發岩(基本上是岩鹽)或含有少量二氧化硅的岩石(即超基性岩石)組成。此外還尋找了含有大量氫的礦物，因為氫能有效地阻止鈾衰變產生的中子。麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的理論物理學家特雷西·斯拉特耶(Tracy Slatyer)說：尋找化石反衝可能是尋找弱相互作用大質量粒子的好方法。這就好像在尋找一個似乎沒有原因跳躍的原子核，它必須跳躍一定的距離，才能看到它。如果我把一個乒乓球扔向保齡球，會看到乒乓球的跳躍過程，不會看到保齡球的運動過程，但實際上通過一些方法或許能觀看到保齡球的運動過程。

2、最困難的實驗

研究所涉及的實地工作並不容易，實驗必須在地下深處進行，在那裡核心樣本將受到宇宙和太陽輻射的保護。這同時需要最先進的納米成像技術來解決原子核移動的問題。斯拉特耶說：即使大質量弱相互作用粒子確實留下了可觀察到的線索，古生物探測器的主要關注點將是確保化石軌跡真的來自於暗物質粒子。研究人員將不得不花大量時間證明反衝不是受中子、太陽中微子或其他物質影響產生。或許可以進入到相當深的地方去躲避宇宙射線，但這並不可控。這不是實驗室，你可能不太了解岩石礦床的歷史。即使聲稱是它發出了信號，但你也需要進行更多工作才能確信沒有被某種因素蒙蔽。德魯科爾和弗雷斯都表示，古探測器的優勢在於數量。

一位技術人員在DAMA實驗的探測器上工作，該實驗使用250公斤的碘化鈉來尋找暗物質。圖片：DAMA-LIBRA Collaboration/LNGS-INFN

岩石中含有大量礦物質，每一種礦物質的原子核都以不同方式從掠奪的弱互相影響大量粒子中反彈。因此不同元素將充當不同的探測器，所有這些探測器都包裹在一個核心樣本中。弗雷斯說：這將允許實驗人員觀察反衝光譜，檢驗結果，並有可能得出關於弱相互作用大質量粒子的結論。在未來，一台古生物探測器甚至可以提供一段時間內的弱相互作用大質量粒子記錄，就像化石記錄可以讓古生物學家重建地球上生命歷史一樣。對斯拉特耶來說，這一長時間的記錄可以提供一個獨特銀河系暗物質暈的探測器。暗物質暈是一種由不可見物質組成的雲，在太陽系圍繞銀河系中心運行2.5億年的過程中，地球會穿過它。

圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

了解銀河系暗物質暈如何分布可以幫助我們了解它的物理行為，甚至可以證明暗物質是否以超越引力的方式與自身相互作用。這一理論模型仍然處於非常活躍的發展階段。然而，這離現實還很遙遠。德魯科爾和弗雷斯表示，古探測器首先必須證明它能夠找到已知粒子(如太陽中微子)留下的反衝軌跡，然後證明它們能從普通的反衝中分離出弱互相影響大量粒子軌跡。這是一個重大的角度變化，我們能找到暗物質嗎？我花了35年尋找它，這可能是世界上最困難的實驗之一，我們或許會不走運，但這的確很酷。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《天文與天體物理學報》,《arxiv》

文: Rebecca Boyle/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI: 10.1051/0004-6361/201833355

Cite: arXiv:1806.05991

Cite: arXiv:1403.8154

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