太空也許是人類探索的終極前沿，但對它的根本運行機制，我們的探索充其量只是剛剛起步。

從開始仰望星空到現(xiàn)在，人類的發(fā)現(xiàn)不可勝數(shù)，但我們所看到的，只是宇宙中5%的物質(zhì)；對于其余的95%——即所謂的“暗物質(zhì)”——我們連怎么觀測它都還沒能摸著門道。但這并不是說，世界各地的研究人員就沒有去嘗試。

人類真正展開對暗物質(zhì)的搜尋，是在17世紀牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力之后。天文學家們假定，某些天體也許不會發(fā)光，但我們能基于引力效應，將其觀測出來（比如黑洞）。

近幾十年中，有賴于光學與射電天文望遠鏡技術的進步，暗物質(zhì)存在的證據(jù)不斷累加。

截至目前，天文學界認為，宇宙中27%的質(zhì)量由暗物質(zhì)構(gòu)成（如果將暗能量囊括進來，這個比例就達到95%）。對于暗物質(zhì)的存在，我們已經(jīng)確信不疑，但對于暗物質(zhì)的構(gòu)成，科學界仍無共識。

目前存在兩種理論：一種認為，暗物質(zhì)由大質(zhì)量弱相互作用粒子（簡稱WIMP）構(gòu)成，這種粒子的質(zhì)量是電子的10萬倍（表現(xiàn)出常規(guī)粒子的特性）。

另一種理論推測，暗物質(zhì)由軸子構(gòu)成，而軸子作為一種基本粒子，其質(zhì)量是電子的1000億分之一（表現(xiàn)出波的特性）。據(jù)推測，軸子與光子一樣表現(xiàn)出波粒二象性，只不過，不同于光子，它不能被直接觀測到。

“若暗物質(zhì)是一種未知粒子，那么，它能與我們互動的形式只有兩種?！泵绹鳶LAC國家加速器實驗室副教授菲利普·舒斯特（Philipp Schuster）博士說。

“一種可能：它能與已知的那些力相互作用（此即WIMP）；另一種可能：它不與標準模型下的各種力發(fā)生作用，而是另有一種自成一體的力?！?/span>

尋找WIMP

“若屬于后一種情況，它就可能通過一種新的矢量粒子，與我們產(chǎn)生互動，原理類似于電磁作用?！彼f，“或者通過某種未知的作用和我們互動，但自然界中找不到相關的類比?！?br style="box-sizing: border-box;">

為確定暗物質(zhì)粒子的構(gòu)成，研究領域設計了不少實驗，大致可歸為三類：粒子探測器——假設暗物質(zhì)由WIMP構(gòu)成；波探測器——假設暗物質(zhì)由軸子（即暗光子）構(gòu)成；以及天文觀測，研究暗物質(zhì)在可觀測宇宙中的作用，具體而言，就是引力透鏡效應。

如果暗物質(zhì)由WIMP構(gòu)成，我們就可以在地下深處設置巨大的液氙池，用于捕捉它們的蹤跡。因為顧名思義，WIMP并不與已知物質(zhì)相互作用，所以探測起來頗為棘手。任何輻射——從宇宙背景輻射到土壤中的微量鈾輻射——都可能摻雜進來，混淆視聽。

舉個例子，意大利格蘭薩索國家實驗室的XENON1T實驗就深埋于一座大山之下。它用到的每一件設備都采用絕無輻射的不銹鋼，純手工打制而成，普渡大學物理學與天體學副教授拉斐爾·朗（Rafael Lang）介紹說。

它用到了地球上純度最高的液氙，而且有一噸之多，這種液氙只含有一萬億分之一（1 ppt）的氪雜質(zhì)——比自然界中的液氙純凈好幾個數(shù)量級。XENON1T是迄今為止最為靈敏（也可理解為“輻射最低”）的WIMP探測器。

“我們的辦法就是拿一個桶，里面裝滿液氙，然后坐等WIMP粒子擊中這桶液氙?！崩式忉屨f。該裝置的主探測器為液氙時間投影室（LXeTPC），外層為低溫冷卻的液氙，然后液氙的外層還有一套大型容器，裝滿了凈化水，起到進一步屏蔽輻射的作用。

其原理是，在如此嚴密的屏蔽措施之下，能夠長驅(qū)直入的也只有WIMP了。而且，若有WIMP擊中某個氙原子核，碰撞將導致液氙發(fā)生振蕩，形成一閃而過的可見光，被LXeTPC探測到。

在美國，還有一套名為LUX-ZEPLIN的實驗設備，坐落于南達科他州，隸屬于美國勞倫斯伯克利國家實驗室，目的也是尋找WIMP?！捌浠驹硎?，建一個超豪華版的蓋革計數(shù)器（用于探測電離輻射的粒子探測器——譯注）?！彼固垢４髮W粒子物理學與天體學教授丹尼爾·阿克布博士（Daniel Akerib）說。

探尋WIMP的地下裝置不僅限于XENON1T和LUX-ZEPLIN。作為低溫暗物質(zhì)搜尋計劃（CDMS）的一部分，美國能源部正與SLAC合作，共同構(gòu)建薩德伯里微中子觀測站實驗室（SNOLAB），利用安大略省的一座鎳礦（由淡水河谷公司擁有并運營），在地下兩千米處設置暗物質(zhì)探測器。該實驗室將于2018年啟動。

但是到目前為止，這些實驗都沒能明確捕捉到WIMP與氙原子核的相互作用，原因可能是“弱相互作用”這一本質(zhì)，但也有可能是假設錯了。若構(gòu)成暗物質(zhì)的并非大質(zhì)量粒子，而是軸子這樣的輕粒子，那么，它們就無法被LUX-ZEPLIN和XENON1T等探測器探測到。

然而，科學界還有暗物質(zhì)無線電接收器（DMR）、費米實驗室（Fermilab）的軸子暗物質(zhì)實驗（ADMX）或阿塔卡馬探路者（APEX）等等針對另一套設想的實驗，它們或許可以破解這道謎題。

軸子在哪？

“如果構(gòu)成暗物質(zhì)的是一種足夠輕的無旋粒子，其表現(xiàn)將更貼近電磁波而不是粒子。”舒斯特解釋說。這里的“足夠輕”意為“電子質(zhì)量的十億分之一”。

“這就意味著，要構(gòu)成這個星系中的暗物質(zhì)，所需的粒子要多得多?！彼固垢Ｎ锢韺W副教授彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說?！斑@也就意味著很難在實驗中尋找到單個軸子的單一信號。因為它的能量實在太低?！?/span>

就好比一滴水無法鑿穿巖壁，但一條河流就可以，研究人員不得不觀測軸子的總體效應。就以斯坦福大學的DMR為例，其實驗原理與地面無線電接收機很像，只不過規(guī)模擴大到了宇宙級。

和粒子探測器相比，這一思路面臨的是另一番挑戰(zhàn)。舉個例子，無線電接收機不用埋藏于地底深處，以避開宇宙射線的干擾。但是，它必須裝在一個導電箱內(nèi)，以屏蔽背景無線電噪音。

此外，粒子探測器開啟之后，往往一跑就是一年。而這些無線電每10至15分鐘，就可以將各個頻率都搜一遍。一旦發(fā)現(xiàn)共振頻率，研究人員立刻就能算出單個軸子的質(zhì)量。

構(gòu)成暗物質(zhì)的究竟是WIMP還是軸子，這對我們理解宇宙影響重大。“暗物質(zhì)完全可能是不可見的光子（即軸子），”舒斯特說?！斑@就意味著，不僅僅存在一種我們未知的力，而且這種力的殘余——其載體粒子——在宇宙中的密度足夠之大，以至于能產(chǎn)生暗物質(zhì)。我認為，這會震驚整個學術界?！?/span>

若果真如此，一種新的基本力將被發(fā)現(xiàn)——其重大程度將絲毫不亞于當初發(fā)現(xiàn)電磁作用。

“當然，另一種可能是，暗物質(zhì)由已知粒子構(gòu)成，但與一種我們未知的力相互作用?！笔嫠固卣f。“這一可能性類似于WIMP猜想，只不過，與這其作用的力不是已知的，而是未知的。這種不可見的光子充當了介質(zhì)的作用?！?/span>

仰望星空

一些天文學的手段更加直接：在宇宙中搜尋暗物質(zhì)的證據(jù)。暗物質(zhì)巡天望遠鏡（DES）自2013年起，就開始在智利的托洛洛山美洲際天文臺收集數(shù)據(jù)，而大型綜合巡天望遠鏡（LSST）也將于2021年啟動，科學家們希望，引力透鏡效應或許能打開暗物質(zhì)的直接觀測之門——就弱相互作用基本粒子而言，這已經(jīng)是最“直接”的觀測方式了。

這些巡天望遠鏡觀測暗物質(zhì)的原理，跟我們觀測黑洞的原理是一致的：尋找被它們彎曲的光線?！叭绻阍谟^測遠處物體的時候，中間有一堆質(zhì)量積聚，那么，物體傳來的光線就會繞道而行，使你看到扭曲的圖像。”SLAC物理學教授、LSST項目負責人史蒂夫·卡恩（Steve Kahn）說。

DES和LSST都將利用這一效應，在太空中尋找暗物質(zhì)團?！霸谔炜罩?，相互靠近的星系之間也會呈現(xiàn)出類似的彎曲……”卡恩說?！八?，這種透鏡效應就相當于‘看到’暗物質(zhì)了。

暗物質(zhì)是不可見的，但我們可以推測出它的存在，及其引力透鏡在星系背景中的分布。”在這種方式下，我們還能計算出那些質(zhì)量積聚與我們的距離。

然而，截至目前，人類的宇宙探秘之旅才剛剛起航。“如果最后發(fā)現(xiàn)，剩下的大部分都是一些簡單、孤立的粒子，沒有什么相互作用，那將會非常出人意料?！笔嫠固乜偨Y(jié)說。

“我認為，更有可能的情形是，暗物質(zhì)還涉及到很多力，很多相互作用。而這些都需要我們?nèi)ふ摇！?/span>

翻譯：雁行