還是沒有暗物質(zhì)

苗千

2016年7月21日在英國伯明翰，第11屆尋找暗物質(zhì)大會（11th Identification of Dark Matter Conference）上，一個最新公布的消息難免讓很多粒子物理學(xué)家感到失望：被寄予厚望的LUX暗物質(zhì)探測實驗在一份聲明中承認(rèn)，依然沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的蹤跡。

LUX項目的聯(lián)合發(fā)言人、來自布朗大學(xué)的物理學(xué)家里克·蓋茨克爾（Rick Gaitskell）說：“我們給了暗物質(zhì)粒子各種機(jī)會出現(xiàn)，但是它還是選擇不出現(xiàn)?！?/p>

LUX暗物質(zhì)探測實驗是“大型地下氙暗物質(zhì)實驗”（Large Underground Xenon Dark-matter Experiment）的簡稱，在過去幾年里，它是人類尋找暗物質(zhì)大質(zhì)量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，簡稱WIMP粒子）的最大希望，因為它是迄今為止人類最靈敏的暗物質(zhì)探測實驗?？茖W(xué)家們花費了700萬美元，用了幾年的時間，把一個巨大的WIMP粒子探測器安置在美國南達(dá)科他州地下1.6公里的一個廢棄金礦中。

LUX暗物質(zhì)探測器的設(shè)計不可謂不考慮到了方方面面。放置在這么深的地下進(jìn)行探測，是為了阻擋來自宇宙空間的高能量宇宙射線擊中探測器產(chǎn)生出類似暗物質(zhì)粒子的信號。不僅如此，在地下27.25萬升純凈水的包裹之中，一個1.8米高的鈦罐中放置了302公斤的液態(tài)氙，并在周圍布置了靈敏的光探測器。在這樣嚴(yán)密的設(shè)計之下，理論上只有構(gòu)成了暗物質(zhì)的WIMP粒子才能夠穿過層層阻隔，在極個別的情況下與氙原子核相撞，并發(fā)出閃光，這樣的閃光有可能被光探測器所感知，這也將是探測到暗物質(zhì)WIMP粒子的關(guān)鍵證據(jù)。

從2014到2016年歷時20個月的探測之后，LUX項目終于告一段落。進(jìn)行了仔細(xì)的數(shù)據(jù)分析后，LUX項目的成員之一、倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家桑杜·蓋格（Chamkaur Ghag）評論說：“盡管一種確定的信號會更受歡迎，但是大自然并不那么友善?！爆F(xiàn)在看來，在意識到暗物質(zhì)的存在幾十年之后，人類對于這種神秘物質(zhì)的特性，甚至是最基本的構(gòu)成方式，仍然知之甚少。

人類從宇宙觀測中意識到暗物質(zhì)的存在已經(jīng)有幾十年的時間，這種神秘的物質(zhì)似乎除了為宇宙貢獻(xiàn)出自己的質(zhì)量之外不熱衷于任何相互作用。它們負(fù)責(zé)提供足夠的引力以把星系聚合在一起，宇宙中物質(zhì)質(zhì)量的五分之四由暗物質(zhì)貢獻(xiàn)。人類利用引力透鏡等方式，可以在大的尺度上畫出暗物質(zhì)的分布地圖，但是問題依然存在：暗物質(zhì)到底是什么？

粒子物理學(xué)家們依照他們所熟悉的普通物質(zhì)的構(gòu)成方式，認(rèn)為暗物質(zhì)也是由某種基本粒子構(gòu)成，并為這種基本粒子建立了各種模型。在諸多的暗物質(zhì)基本粒子模型中，WIMP粒子模型在目前最為流行，這種模型假設(shè)暗物質(zhì)是由一種質(zhì)量為質(zhì)子的10至100倍的質(zhì)量較大、運動緩慢，不參與強(qiáng)相互作用，只參與弱相互作用的基本粒子——WIMP粒子構(gòu)成。與中微子類似，每秒鐘都有數(shù)十億的彌漫在宇宙空間內(nèi)的WIMP粒子穿過我們的身體而不被察覺。

為了探測理論上的WIMP粒子，摘下這顆粒子物理學(xué)領(lǐng)域的明珠，世界上很多實驗室都建設(shè)了各自的暗物質(zhì)探測器，這些探測器大多被埋藏在地下。幾年來，各個暗物質(zhì)探測實驗偶爾會傳出消息，聲明發(fā)現(xiàn)了可疑的WIMP粒子信號，但是又沒有任何一個實驗可以確定。LUX項目也正是建立在2013年一項失敗的暗物質(zhì)探測項目之上。物理學(xué)家改造了原來的實驗設(shè)備，把探測器的靈敏度提高了4倍，成為世界上最靈敏的暗物質(zhì)探測器。進(jìn)行實驗的科學(xué)家們相信LUX項目的靈敏度已經(jīng)超出了實際所需，因此，只要有WIMP粒子經(jīng)過實驗的地點，“幾乎一定”會被發(fā)現(xiàn)。

正因為被寄予厚望，LUX項目的一無所獲也就更讓人感到失望，這也說明了此前關(guān)于WIMP粒子的疑似信號全部都不可信——除非是非常奇異的暗物質(zhì)粒子，單單出現(xiàn)在某些探測器中而避開了LUX探測器。不過從另一個角度來說，沒有發(fā)現(xiàn)也算是一個發(fā)現(xiàn)，這說明目前人類的WIMP暗物質(zhì)粒子模型必須隨之改變，而人類探測暗物質(zhì)的實驗方式也必須隨之改變。人類多年來探測僅存于理論中的WIMP粒子而一無所獲，是否說明理論模型存在根本性錯誤？大多數(shù)粒子物理學(xué)家現(xiàn)在還并不急于拋棄WIMP粒子的假設(shè)，但是LUX的一無所獲已經(jīng)為WIMP粒子存在的條件加上了極大的限制。

作為LUX項目的繼續(xù)，物理學(xué)家們正在建設(shè)一個更加靈敏的暗物質(zhì)探測實驗，這個被稱為“Lux-Zeplin”（簡稱“LZ”）的暗物質(zhì)探測項目與LUX項目類似，仍然是在地下進(jìn)行，被27.25萬升純凈水所包裹，但是其中進(jìn)行WIMP粒子探測的純度更高的液態(tài)氙將增加到10噸，它的靈敏度將是LUX項目的70倍。此前物理學(xué)家們認(rèn)為WIMP粒子可能是一種較重的粒子，但是現(xiàn)在看來，如果真的存在的話，WIMP粒子可能比此前人們預(yù)想的要輕得多。如果說此前人們尋找的是保齡球，那么從此之后物理學(xué)家們就該轉(zhuǎn)而尋找乒乓球。

如果LZ實驗仍然找不到WIMP粒子怎么辦？芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家胡安·科勒（Juan Collar）對此感到有些悲觀。盡管目前WIMP粒子模型仍然是最受粒子物理學(xué)家們所信賴的模型，但是如果WIMP粒子仍不出現(xiàn)，很多暗物質(zhì)模型將被放棄，很多物理學(xué)家會不得不轉(zhuǎn)而去探索暗物質(zhì)的其他可能形式。

物理學(xué)家們可以建立各種數(shù)學(xué)模型來描述我們的宇宙，為神秘的暗物質(zhì)設(shè)想出各種基本粒子，但是一切模型畢竟都需要經(jīng)受實驗的檢驗。實際上，人們至今仍然不了解暗物質(zhì)的基本組成方式，它也有可能是以一種人們現(xiàn)在并不理解的方式存在和聚合在一起的。美國航空航天局的科學(xué)家在2015年對銀河系內(nèi)的天體運行軌跡進(jìn)行模擬時，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)也可能是以一種“細(xì)粒流”，類似于頭發(fā)絲的方式存在。

暗物質(zhì)之謎，已經(jīng)成為物理學(xué)最大的謎團(tuán)之一。現(xiàn)在看來，要揭示暗物質(zhì)的真實身份，還需要人類進(jìn)行更多更久的探索，這將是很多粒子物理學(xué)家為之奉獻(xiàn)一生的課題。