Question

什么是暗物质？为什么还没有人发现它？

Answer 1

宇宙中六分之五的东西似乎不见了，我们就是找不到。这些看不见的物质被称为“暗物质”，科学家们通过一些世界上最大、最昂贵的实验来寻找它。

一次又一次，这些实验空手而归。最近，氙气实验的科学家们在经过9个月的搜索后，没有找到他们想要的信号。氙气实验是一种非常敏感的液态氙气。世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机（位于瑞士日内瓦）也没能找到任何东西。所以，你可能会想，我们在找什么，为什么？为什么世界上的物理学家对什么是“暗物质”有如此深刻的分歧？

早在19世纪末，科学观测就告诉我们，宇宙比它看起来的要大。科学家们现在认为瑞士物理学家弗里茨·兹威基是暗物质之父。兹威基意识到彗星群中的星系似乎移动得太快了。他认为星团中的质量应该是他所能看到的质量的400倍，有点过冲，并称之为“暗物质”。

薇拉·鲁宾和其他人在20世纪60年代和70年代的研究表明，星系本身必须比已知的引力定律还要大。有质量的物体有引力，质量越大，它们对其他物体的引力就越大。万有引力定律预测，在巨大的旋转系统（如太阳系或恒星集合）中，最远区域的物体移动速度应比靠近中心的物体慢，并继续减慢。

但是这些科学家观察到星系外边缘的恒星没有减速，它们以相同的速度围绕星系中心运行，甚至比接近中心的恒星还要快。这意味着恒星承受了更多的引力，并且处于一个比预期质量更大的区域。要么是物理定律错了，要么是在该区域还存在一些奇怪的、更黑暗的东西。

事实上，在我们整个宇宙中，大质量天体表现得好像比它们看起来还要大。在距地球37亿光年的子弹星系团中，看似空的区域仍然具有足够的引力来弯曲从它背后的星系发出的光。

但是，正如芝加哥大学物理学家丹·胡珀在最近的一次会议上所解释的那样，暗物质最重要的证据来自对宇宙自身大尺度结构的观测。它似乎毫无缘由地呈现出某种引力结构，所以我们必须把这些至今无法察觉的东西结合在一起。现在的计算表明，这种暗物质的数量大约是普通物质的五倍。

为了理解这些奇怪的观察结果，已经并将继续进行许多尝试。一些人甚至认为暗物质可以用非常暗的物体来解释，比如那些不发光的恒星（理论学称为"巨大紧凑光环物体"或"MACHOs"）。这个想法后来被驳倒了。

一个最受欢迎的暗物质候选者出现了，不是来自天文学，而是来自粒子物理学：弱相互作用的大质量粒子，或称WIMPs。

最被广泛接受的假设是暗物质是由弱的基本亚原子粒子组成的，在我们的常规物质地球上，这些粒子太弱，我们无法在这里注意到，就像微风太轻，无法推动砖房。

自从千年之交以来，科学家们相信这些粒子随时都会被发现。但现在已经不是这样了。由于WIMPs还没有被发现，物理学家们对暗物质产生了分歧：是WIMPs还是某种奇怪的东西？

“至少15年前，当人们谈论暗物质时，他们互换使用‘暗物质’和‘WIMPs’两个词。”胡珀告诉我们，“这是一个渐进但意义重大的转变，不过现在没人再做那种事了。人们现在对暗物质是由什么组成有了更广泛的全球概念。”

随着2012年希格斯玻色子的发现，粒子物理学家认为他们已经确定了构成宇宙的所有粒子，以及它们之间的所有作用力，完成了

标准模型。这是一个一致的理论，但它有漏洞。它就像一个地图上的洞穴，里面还有一些神秘的地方、奇怪的和无法解释的“风”从那里吹出来。

一个这样的神秘区域包含了一个未发现粒子的新领域的潜力——每个存在的粒子都存在一个邪恶孪生体。这些理论化的镜像世界粒子，被称为“超对称伴随子”，比标准集更大。几十年来，物理学家一直对这种“超对称性”感到好奇，它可能会潜在地回答关于标准模型的一些最重要的悬而未决的问题，比如为什么引力与其他力相比是如此的弱，特别是控制亚原子粒子之间某些行为的“弱核力”。

尽管暗物质和超对称性有着各自的起源，但在20世纪90年代还是一致。当物理学家们意识到，如果存在超对称粒子，它们可能是解释暗物质的额外质量的“WIMP”，这种巧合被称为“WIMP”奇迹。1996年的一份报告写道：“在众多的WIMP候选物中，可能动机最好、理论上也最成熟的是超中性子（neutralino），它是许多超对称理论中最轻的‘超对称伴随子’。” 换言之，“超对称伴随子”会成为“WIMP”。

对“WIMP”的搜寻经历了两条不同的道路。一种方法是使用大型强子对撞机将质子（亚原子粒子）撞击在一起，以期在由此引起的碰撞中发现一些异常现象，这是以前未被发现的粒子可能是暗物质的征兆。到目前为止，LHC物理学家还没有发现任何这样的粒子。但是他们没有完成搜索，他们也不会很快放弃。

有几个实验采用了第二种方法。如果宇宙的六分之五有可能是由“WIMP”构成的，那么这些粒子中的一些一定会撞击地球。加拿大、意大利和韩国正在进行这些实验，他们将用来探测来自太空的“WIMP”超灵敏探测器深埋在地下，以阻止任何额外的粒子（如宇宙射线）干扰这个装置。这个想法是暗物质粒子会和探测器的物质发生轻微的相互作用。

迄今为止最灵敏的实验是氙1T，它位于意大利的一座山下，使用一吨低温液体氙作为探测物质。它还没有在九个月的搜索中找到它目前的“WIMP”。或者更确切地说，它发现了很多暗物质不可能拥有的属性，让我们了解了暗物质可能拥有的属性。

这就像通过在空白空间中绘制轮廓一样。到目前为止，科学家们已经排除了所谓的"普通的WIMP"的概念，或者关于WIMP可能是什么的最基本、最明显的想法，他们一致认为真正的WIMP可能非常陌生，而且不太可预测。

虽然WIMPs尚未被发现，但这个理论并没有消亡。在WIMP搜索领域，大多数人觉得WIMP仍然在那里，等待被发现。尽管如此，人们还是变得焦躁不安。

今年2018年春天，物理学家们在加州圣巴巴拉的卡弗里理论物理研究所和意大利的Moriond会议会面，讨论暗物质搜索的状态。很明显，许多人正在寻找新的途径来解开这个谜团。

俄亥俄州立大学欧洲核子研究中心ATLAS实验的博士后研究员詹姆斯·比查姆告诉我们：“我们一直希望会在标准搜索中找到一些信号。”“既然我们总是空手而归，这就迫使人们以截然不同的方式思考。”

例如，也许还有另一个粒子，一个强相互作用的大质量粒子，或者说SIMP，如果探测器不在地下那么深的地方，就可以找到它。其他人已经聚焦另一个亚原子粒子：轴子（axion），认为它将同时解释缺失的暗物质，并解决粒子物理学中关于将原子核结合在一起的力的单独问题。其他人认为，也许尚未被发现。

从事氙气合作研究的苏黎世大学物理学家劳拉·鲍迪斯（Laura Baudis）在接受我们采访时说：“WIMP仍有很多参数空间，但同时我们也必须 探索 其他可能性。”

加州大学欧文分校（University of California Irvine）物理学和天文学教授乔纳森•冯（Jonathan Feng）表示，由于持续缺乏探测能力，越来越多的年轻物理学家开始寻求更奇特的解决方案。

但也有人怀疑我们是否刚刚从根本上搞错了物理定律。如果暗物质只是我们这一代的发光乙醚呢？科学家曾经认为，光要以波的形式传播，必须通过某种介质“以太”。阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫利的实验证明“以太”是不存在的，而阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论则证明证明了这一点。也许我们所谓的“暗物质”可以用一种新的理论来解释，这种理论不需要找到某种奇怪的质量。

其中一类理论是修正的牛顿动力学，或称MOND。凯斯西储大学天文学家斯泰西·麦高（Stacy McGaugh）解释说，也许

艾萨克·牛顿的引力定律需要一个调整来解释极端巨大的、缓慢的东西，比如星系的非常缓慢的加速边缘。麦高曾对我们说，暗物质是“我们早期用来解决问题的‘牙仙子’ ”。每当宇宙的某一部分似乎不遵守物理定律时，科学家就会用暗物质来解释这些差异，以填补空白。也许宇宙的那些部分根本不需要暗物质来遵守物理定律，因为它们根本不遵守我们最初理解的定律。

麦高认为，也许暗物质代表了控制引力最著名的定律：广义相对论的不完整性。“现在普遍的态度是，广义相对论是上帝赋予我们的，不能被质疑，因此暗物质必须存在。”他说。“我担心我们太崇拜爱因斯坦了。”

或者我们误解了引力的起源。阿姆斯特丹大学的理论物理学家埃里克·维尔林德说，也许引力实际上是从量子力学的数学、最小事物的物理学中产生的，就像温度从粒子运动中产生一样。我们现在认为引力是质量与空间本身相互作用的结果，但也许引力是粒子集体行为的结果。那么，暗物质可能是集体行为的结果，而不是现有的广义相对论。

“人们说（暗物质）必须是一个粒子。对我来说，这些争论没有意义。我们还没有考虑过其他的可能性。” 弗林德告诉我们，“从某种意义上说，暗物质是我们还不了解的东西的占位符。”

这两种观点都无法解释暗物质（宇宙的大尺度结构）最重要的证据。

暗物质可能不是WIMP的原因有很多。我们可能误解了物理定律；这些定律可能不适用于暗物质；或者这些定律可能是错误的或不完整的。但是科学家已经投入了大量的时间和金钱来寻找弱暗物质。

即使在最近的研究结果中，科学家们什么也没有发现，仍然有很多不同的WIMP可能性。但当前和未来的实验都受到中微子层面的限制，在这个层上，实验变得如此敏感，以至于暗物质粒子与物理学家已经观察到的另一种弱相互作用粒子（称为中微子）无法区分。

但在实验到达中微子层之前，仍有更多种类的WIMP没有被排除，搜索必须继续。

美国自然科学基金会（U.S.Natural Science Foundation）计划资助一系列实验，这些实验将一直追踪到中微子层的粒子。它已经决定资助WIMP“狩猎”实验超级CDM，并正在资助正在建设的LZ，该LZ将包含10吨液态氙。氙1t将升级为氙nT。也许有一天，一个叫做达尔文的实验会完成这项工作。

不用担心浪费：所有这些实验都可以测量暗物质以外的东西，如果一个WIMP没有被发现。它们可以成为超新星观测站或进行其他粒子物理测量。

即使在没有被探测到的情况下，来自太空的诱人暗示仍在继续刺激科学家们对暗物质粒子的胃口。中国的暗物质粒子探测卫星和国际空间站上的阿尔法磁谱仪，似乎探测到了可能由暗物质粒子引起的信号。最近在澳大利亚的一个无线电接收器上进行的一项实验，检测到来自第一批恒星的信号，这些恒星似乎被早期宇宙中的一些暗物质粒子所改变。

然而，WIMP正在失去作为统治理论的力量。物理学家没有探测的时间越长，解释暗物质的新想法就会越来越多。

我们能找到WIMP吗？谁也不知道是否能真正找到它，但科学家将继续从事科学研究。不管我们怎么想，大自然根本不在乎。不管怎样，我们也必须继续寻找搜寻下去。