还是没有暗物质

苗千

2016年7月21日在英国伯明翰，第11届寻找暗物质大会（11th Identification of Dark Matter Conference）上，一个最新公布的消息难免让很多粒子物理学家感到失望：被寄予厚望的LUX暗物质探测实验在一份声明中承认，依然没有发现暗物质粒子的踪迹。

LUX项目的联合发言人、来自布朗大学的物理学家里克·盖茨克尔（Rick Gaitskell）说：“我们给了暗物质粒子各种机会出现，但是它还是选择不出现。”

LUX暗物质探测实验是“大型地下氙暗物质实验”（Large Underground Xenon Dark-matter Experiment）的简称，在过去几年里，它是人类寻找暗物质大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMP粒子）的最大希望，因为它是迄今为止人类最灵敏的暗物质探测实验。科学家们花费了700万美元，用了几年的时间，把一个巨大的WIMP粒子探测器安置在美国南达科他州地下1.6公里的一个废弃金矿中。

LUX暗物质探测器的设计不可谓不考虑到了方方面面。放置在这么深的地下进行探测，是为了阻挡来自宇宙空间的高能量宇宙射线击中探测器产生出类似暗物质粒子的信号。不仅如此，在地下27.25万升纯净水的包裹之中，一个1.8米高的钛罐中放置了302公斤的液态氙，并在周围布置了灵敏的光探测器。在这样严密的设计之下，理论上只有构成了暗物质的WIMP粒子才能够穿过层层阻隔，在极个别的情况下与氙原子核相撞，并发出闪光，这样的闪光有可能被光探测器所感知，这也将是探测到暗物质WIMP粒子的关键证据。

从2014到2016年历时20个月的探测之后，LUX项目终于告一段落。进行了仔细的数据分析后，LUX项目的成员之一、伦敦大学学院的物理学家桑杜·盖格（Chamkaur Ghag）评论说：“尽管一种确定的信号会更受欢迎，但是大自然并不那么友善。”现在看来，在意识到暗物质的存在几十年之后，人类对于这种神秘物质的特性，甚至是最基本的构成方式，仍然知之甚少。

人类从宇宙观测中意识到暗物质的存在已经有几十年的时间，这种神秘的物质似乎除了为宇宙贡献出自己的质量之外不热衷于任何相互作用。它们负责提供足够的引力以把星系聚合在一起，宇宙中物质质量的五分之四由暗物质贡献。人类利用引力透镜等方式，可以在大的尺度上画出暗物质的分布地图，但是问题依然存在：暗物质到底是什么？

粒子物理学家们依照他们所熟悉的普通物质的构成方式，认为暗物质也是由某种基本粒子构成，并为这种基本粒子建立了各种模型。在诸多的暗物质基本粒子模型中，WIMP粒子模型在目前最为流行，这种模型假设暗物质是由一种质量为质子的10至100倍的质量较大、运动缓慢，不参与强相互作用，只参与弱相互作用的基本粒子——WIMP粒子构成。与中微子类似，每秒钟都有数十亿的弥漫在宇宙空间内的WIMP粒子穿过我们的身体而不被察觉。

为了探测理论上的WIMP粒子，摘下这颗粒子物理学领域的明珠，世界上很多实验室都建设了各自的暗物质探测器，这些探测器大多被埋藏在地下。几年来，各个暗物质探测实验偶尔会传出消息，声明发现了可疑的WIMP粒子信号，但是又没有任何一个实验可以确定。LUX项目也正是建立在2013年一项失败的暗物质探测项目之上。物理学家改造了原来的实验设备，把探测器的灵敏度提高了4倍，成为世界上最灵敏的暗物质探测器。进行实验的科学家们相信LUX项目的灵敏度已经超出了实际所需，因此，只要有WIMP粒子经过实验的地点，“几乎一定”会被发现。

正因为被寄予厚望，LUX项目的一无所获也就更让人感到失望，这也说明了此前关于WIMP粒子的疑似信号全部都不可信——除非是非常奇异的暗物质粒子，单单出现在某些探测器中而避开了LUX探测器。不过从另一个角度来说，没有发现也算是一个发现，这说明目前人类的WIMP暗物质粒子模型必须随之改变，而人类探测暗物质的实验方式也必须随之改变。人类多年来探测仅存于理论中的WIMP粒子而一无所获，是否说明理论模型存在根本性错误？大多数粒子物理学家现在还并不急于抛弃WIMP粒子的假设，但是LUX的一无所获已经为WIMP粒子存在的条件加上了极大的限制。

作为LUX项目的继续，物理学家们正在建设一个更加灵敏的暗物质探测实验，这个被称为“Lux-Zeplin”（简称“LZ”）的暗物质探测项目与LUX项目类似，仍然是在地下进行，被27.25万升纯净水所包裹，但是其中进行WIMP粒子探测的纯度更高的液态氙将增加到10吨，它的灵敏度将是LUX项目的70倍。此前物理学家们认为WIMP粒子可能是一种较重的粒子，但是现在看来，如果真的存在的话，WIMP粒子可能比此前人们预想的要轻得多。如果说此前人们寻找的是保龄球，那么从此之后物理学家们就该转而寻找乒乓球。

如果LZ实验仍然找不到WIMP粒子怎么办？芝加哥大学的物理学家胡安·科勒（Juan Collar）对此感到有些悲观。尽管目前WIMP粒子模型仍然是最受粒子物理学家们所信赖的模型，但是如果WIMP粒子仍不出现，很多暗物质模型将被放弃，很多物理学家会不得不转而去探索暗物质的其他可能形式。

物理学家们可以建立各种数学模型来描述我们的宇宙，为神秘的暗物质设想出各种基本粒子，但是一切模型毕竟都需要经受实验的检验。实际上，人们至今仍然不了解暗物质的基本组成方式，它也有可能是以一种人们现在并不理解的方式存在和聚合在一起的。美国航空航天局的科学家在2015年对银河系内的天体运行轨迹进行模拟时，发现暗物质也可能是以一种“细粒流”，类似于头发丝的方式存在。

暗物质之谜，已经成为物理学最大的谜团之一。现在看来，要揭示暗物质的真实身份，还需要人类进行更多更久的探索，这将是很多粒子物理学家为之奉献一生的课题。