暗物质研究前途未卜

撰文｜李·比林斯（Lee Billings）

翻译｜赵昌昊

暗物质到底是什么？曾经被寄予厚望的弱相互作用大质量粒子或许不是正确答案。对这种粒子的探测屡屡受挫，于是物理学家开始尝试寻找其他可能的暗物质粒子。

近几十年，物理学家期望能够探测到弱相互作用大质量粒子（WIMP），以推动物理学的发展。整个宇宙有85％左右的质量来自暗物质。暗物质不发光，也很难与普通物质发生相互作用。物理学家曾经猜测，WIMP是构成暗物质的粒子。然而，迄今最灵敏的暗物质探测实验仍然没能发现其踪迹。也许是WIMP隐藏得太深，也许是我们认识宇宙的知识根基本身不牢固——WIMP可能根本不存在。很多科学家仍然期待更先进的实验装置能够探测到WIMP，但其他人则开始重新将目光投向一些过去一直不看好的暗物质理论。

2016年夏天，大型地下氙探测器（LUX，位于美国南达科他州的布莱克丘陵）的实验结果显示未能探测到WIMP。探测器中含有的1/3吨液态氙，维持在－100℃，存放于地下约1.5千米深的巨大水箱中，这样山体和水可以屏蔽大多数无关辐射。研究人员花了一年多时间寻找WIMP与氙原子核碰撞发出的光，但在2016年7月21日，他们宣布未能探测到WIMP。

2016年8月5日，人类历史上建造的最大的粒子加速器——欧洲核研究中心的大型强子对撞机（LHC，邻近瑞士日内瓦）也宣布未能探测到WIMP。从2015年春季起，为了寻找WIMP的踪迹，LHC就开始用前所未有的高能量使质子对撞，对撞频率高达每秒10亿次。早期，两个研究团队在碰撞产生的亚原子残骸中发现了多余的能量，从物理机制上说，这一反常迹象可能源于WIMP（准确地讲，也有很多其他可能）。然而，随着LHC对撞数据的积累，多余能量逐渐隐去，这也就意味着之前观察到的只是随机性的统计涨落。

两组实验都不能证明WIMP存在，这对于暗物质探测来说有好也有坏。一方面，实验结果更进一步限制了WIMP的质量范围和相互作用强度，为我们设计下一代WIMP探测器提供了依据。另一方面，实验结果也排除了几个最简洁、最有希望的WIMP模型，这使得科学家越发担忧，WIMP可能是人类探测暗物质历程中走过的一段弯路。

爱德华·科尔布（Edward W. Kolb）是美国芝加哥大学的一位宇宙学家，他在20世纪70年代为WIMP探测做了奠基性工作，并且称21世纪的第2个10年是“WIMP的10年”。但现在他承认，实际的探测工作并没有预期那样顺利。“相比5年前，我们现在对WIMP的了解只少不多。”科尔布说。他表示，大多数理论物理学家希望“让WIMP理论百花齐放”，发展出更加复杂和奇异的理论，来解释这种本该遍布宇宙空间的粒子究竟是如何躲过了人类的探测器。

理论工作者有两点彼此相关的理由来支持WIMP探测。其一，WIMP是粒子物理标准模型的一种广为接受的扩展理论的自然推论。该理论预言，在宇宙大爆炸后很短的时间内，WIMP就已经产生。其二，如果宇宙早期确实产生了这些WIMP，那么根据直接计算的结果，现阶段WIMP的总量和性质，与根据天文观测推测出的暗物质的总量和性质几乎完全吻合。如此巧合，堪称“WIMP奇迹”。它支持着粒子物理学家在几十年间努力寻找WIMP，但现在有些理论物理学家开始怀疑这一理论是否真的合理。

例如，美国加利福尼亚大学欧文分校的物理学家冯孝仁（Jonathan Feng）和贾森·库马尔（Jason Kumar）在2008年提出，超对称理论可以预言一系列比WIMP质量更小、相互作用更加微弱的粒子。冯孝仁说：“这种粒子的总量与我们现在所观测到的暗物质相当，但它不是WIMP。该理论与WIMP理论看上去都非常可信，打破了我们以往对WIMP理论的笃信。我们把这一理论结果称为‘无WIMP奇迹’。”

暗物质的艺术概念图

理论对于简单WIMP模型的支持越来越弱，实验上又始终没有探测到WIMP，这让包括冯孝仁在内的许多物理学家开始觉得，也许WIMP只是某种更复杂的物理图景中的一个局部——宇宙中可能还有一个隐秘未见的“暗区域”，其中各种各样的“暗粒子”彼此之间通过一套“暗力”发生相互作用，比如“暗电荷”之间可以通过交换“暗光子”进行相互作用。

暗区域模型中，待定参数非常多。物理学家可以自由调节这些参数，使得理论模型能够满足新的观测数据对该模型的限制。不过这样一来，想要通过实验最终确定某一个具体模型是正确的，也会格外困难。

美国普林斯顿大学的天体物理学家戴维·斯珀格尔（David Spergel）说：“有了暗区域模型，我们几乎可以随意创造出任何想要的结果。现在，我们无法依靠‘WIMP奇迹’指引道路，因为可能的理论模型实在太多。我们根本不知道正确的模型到底在何方，只有等大自然透露更多线索，我们才能继续探索下去。”

有些物理学家则认为，大自然已经暗示我们，应该完全放弃WIMP模型，另求他法。比如，“幽灵粒子”中微子已经被实验证实有3种类型，即3种“味”。尽管这3种类型的中微子的总质量不足以构成宇宙中所有的暗物质，但中微子质量不为零，这一性质意味着宇宙中还可能有第4种质量很大的中微子，它被称为“惰性中微子”。

美国加利福尼亚大学欧文分校的理论物理学家凯沃克·阿巴扎基安（Kevork Abazajian）说：“关于中微子质量的起源，几乎所有合理的理论都要求惰性中微子存在。这些惰性中微子很容易就能成为暗物质的组成部分。”

轴子则是另一种有望解释暗物质构成的粒子。1977年，物理学家提出了这种假想的弱相互作用粒子，以便解决量子相互作用中尚未解决的非对称性问题。如果要用轴子来解释暗物质，那么其可能的质量范围更窄，质量也比WIMP轻很多。美国斯坦福大学的物理学家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）说：“如果我们探测不到WIMP，那么理论物理学家就会转而研究轴子。”

除了WIMP模型与暗区域模型，以及惰性中微子理论与轴子理论，还有更多更奇特的理论有可能解释暗物质的起源，不过这些理论仍处于物理学研究的边缘地带，这其中包括原初黑洞理论、额外维度理论等。当然还有一种可能，就是爱因斯坦的引力理论有瑕疵。

研究暗物质的物理学家并不担心暗物质会最终被认定为一个错误的概念。不论他们倾向于哪一种理论模型，天文观测的结果都已经表明，暗物质的存在不容置疑。他们所担心的是，暗物质的性质或许与物理学中其他的未解之谜无关，也就无法为我们认识自然界的本质提供更多的帮助。

美国麻省理工学院的物理学家杰西·塞勒（Jesse Thaler）说：“我们不仅仅期望发现暗物质，更期望它能够帮助我们解决粒子物理标准模型中的其他重大问题。新的发现也许不能揭示真相……因为我们往往要过一段时间才能找到理论把整个图景联系起来。有时，新发现的粒子会让我们心生疑问：‘是谁设计了这一切？’在我们生活的宇宙中，也许每次新发现都能带来更深入、更基础的认识，也许并非所有的事情都有据可依——在暗物质的问题上，这些都有可能。”