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遍布全宇宙的暗物质究竟是什么？在物理学家之间曾存在一个最受欢迎的理论，如果暗物质真的符合该理论的预测，那很多物理问题就能迎刃而解。但几十年来实验探测的精度不断提升，几乎穷尽了可以探索的参数空间，备受期待的暗物质却还不出现。现在，越来越多的人开始怀疑，我们是不是找错了方向？物理学家逐渐重新开始思考暗物质其他的可能。而如果抛下用暗物质同时解决多个物理问题的执念，在主流的理论之外，暗物质其实仍存在着丰富的可能，对应多种多样的科学问题和实验手段。或许是时候放宽视野，拿起暗物质的下一张寻宝图，用新的思路来寻找暗物质了。
在这篇来自《环球科学》2024年10月新刊的文章中，我们将跟随特雷西·R.斯拉切尔与蒂姆·M.P.泰特的讲述，看看物理学家如何追逐暗物质这一越来越难以捉摸的猎物。
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撰文｜特雷西·R.斯拉切尔（Tracy R. Slatyer） 蒂姆·M.P.泰特（Tim M. P. Tait）翻译｜张园园 审校｜刘江来
宇宙中绝大部分物质都是不可见的，我们称之为“暗物质”。它的引力会影响恒星和星系的轨道，从而能被我们观测到。我们还能观测到它如何扭曲光线，并检测它如何影响宇宙大爆炸等离子体发出的光。基于这些高度精确的测量结果，我们有充分的理由相信暗物质无处不在。然而，至今也没人知道暗物质到底是什么。
在过去的数十年间，我们不断尝试在实验中找到暗物质的踪迹，但至今尚未取得确凿的成果。也许再坚持一下就能探测到它，但长时间的等待已经引起了一些研究者的怀疑——是不是我们搜寻的地点或方法出了问题？目前寻找暗物质的实验聚焦在少数几个理论候选者上面，因为它们似乎同时能给其他物理问题提供线索。但这些物理问题与暗物质未必存在关联。越来越多的物理学家承认，我们或许需要在更广泛的理论解释中寻找答案。问题的疆域扩展开来，让人既紧张又兴奋。
与此同时，我们开始直面一缕令人警觉的思绪：或许我们永远都没法确定暗物质的本质。在暗物质探索的早期，这种想法似乎很荒谬。那时我们有众多出色的理论，还有众多的实验方法可供验证。然而，容易走的路大都已被涉足，结论却是暗物质远比我们想的更神秘。
暗物质极有可能以目前实验技术无法探测的方式存在——甚至可能完全不与常规物质发生作用。倘若它除了引力之外，不再与普通原子发生任何相互作用，那么我们几乎不可能在实验室中检测到它。在这种情况下，我们仍然期望用天文观测来描绘暗物质在宇宙中的分布，增进对它的理解。但也有可能，暗物质太难以捉摸，我们永远无法洞悉它的本质。
迷人的假说
2022年8月的一个宜人夏夜，我们与几位物理学家在美国华盛顿大学，围坐在桌旁，讨论“斯诺马斯进程”（Snowmass Process）的成果。这是美国粒子物理学界一项持续一年的研究，大约每十年进行一次，旨在就未来研究的优先事项寻求共识。我们的任务是总结暗物质搜寻的进展和潜力。要剖析暗物质的可能性有多少种，以及梳理众多探索暗物质的想法，这项工作令人望而生畏。
我们正处于暗物质探索的特殊时刻。自20世纪90年代以来，数千名研究人员对可能构成暗物质的粒子进行了详尽的搜寻。到现在，他们已经排除了很多最简单、最易于检验的可能。尽管如此，大多数物理学家仍然相信暗物质的存在，并认为它代表某种独特的物质形式。
如果宇宙中没有暗物质，我们就不得不大幅修改当前的引力定律，而后者又基于爱因斯坦的广义相对论。更新理论，去除对暗物质的依赖——意味着要么在保持现有理论框架的基础上调整广义相对论方程，要么引入全新的理论范式来完全取代广义相对论——似乎都很困难。
这些理论变化必须能在各种天体物理系统中复现暗物质的效果，覆盖范围从银河系最小的卫星星系到庞大的星系团。换言之，它必须在极大的距离和时间尺度范围上都能适用，且不能与我们已有的、对引力运作机制的大量精确测量结果冲突。
倘若暗物质仅是对引力的一种普遍修正，而引力又普遍地关联所有物质，这些修正还需要解释，为何不是所有星系和星系团都含有暗物质。此外，在构建自洽的修正引力理论来解释暗物质时，即便最巧妙的尝试最终也仍需引入某种形式的暗物质，才能解释我们在宇宙微波背景辐射中观测到的涟漪。
相比之下，假定存在一种仅不与光相互作用的新型物质，是更简洁的想法。实际上，我们已经拥有此类暗物质的实例，那就是中微子——这些几乎无质量的粒子无处不在，却极少与其他物质发生相互作用。然而，我们已经知道了中微子并不足以解释宇宙中大部分的暗物质，它们最多能占暗物质总量的1%左右。
那么，剩下的99%呢？暗物质是否可能只是冰山一角，是标准模型之外一种或多种新粒子初现的端倪？暗物质是否可能感受到已知粒子感受不到的新相互作用（就像暗物质似乎感受不到电磁力一样），或者它是否与新的自然基本原理有关？对标准模型的精确测量引出了一些突出的谜题，暗物质能否解决它们？或者它是否能揭示宇宙历史最初的篇章？毫无疑问，目前所有这些问题的答案都只是“可能”——但正是这些新发现的可能在驱使我们继续前进。
在众多关于暗物质性质的理论中，最受青睐的两类假设分别是弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）和量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD）中的轴子。这些理论框架塑造了理论物理学家思考暗物质的方式，并催生了大量寻找暗物质的实验研究。
WIMP是一类暗物质模型的统称，每种WIMP都对应一种理论物理学中假设的稳定粒子，质量与标准模型中的粒子相当。质子的质量略低于1 GeV/c²，而大多数WIMP探测实验集中于10至1000 GeV/c²的质量区间内（粒子物理学家发现，通过爱因斯坦的质能方程E = mc²，用能量来衡量质量极为便捷）。经典版本的WIMP，能够直接与携带弱相互作用的W和Z玻色子发生相互作用，这也是WIMP名称中“W”的由来。这类粒子在超对称理论框架下自然存在。
在超对称理论框架下，每个已知粒子都对应一个更重的伙伴粒子，称为“超伴子”。大约十五年前，该领域的研究者就期望能在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机中发现超伴子，但遗憾的是，这一愿望并未实现。这说明如果超对称理论真的成立，那超伴子的质量必须比原本预期的还大。此外，尽管多种超对称理论都预测了WIMP暗物质，但反过来并不成立；即便在不存在超对称的宇宙模型中，WIMP依然是暗物质的潜在候选者。
许多物理学家喜欢WIMP的原因之一，是这些粒子与我们在宇宙中观测到的暗物质数量自然就能匹配上。当宇宙比现在小得多、密度更高、温度更高时，即使是弱相互作用也足以让常规粒子和WIMP在碰撞中相互转化。就算大爆炸最初没有产生WIMP，常规粒子也能通过相互作用产生它们。WIMP在碰撞过程中将其能量转化为常规粒子，此过程会消耗大部分WIMP，仅留下少量残余。例如，一种与希格斯玻色子质量相当的WIMP，就能让宇宙中的暗物质丰度和观测结果相符，这一机制简单且迷人。
WIMP之所以吸引许多实验者，是因为它们与常规粒子之间必定存在显著的相互作用——所以它们才能制造出宇宙中这么多的暗物质。探索WIMP有三种传统方法：对撞机实验：研究者将标准模型粒子撞在一起，重现早期宇宙的环境，期望从中产生暗物质；直接探测实验：使用极其敏感的探测器来寻找可见粒子在被暗物质粒子撞击时产生的微小变化；间接探测：从宇宙中寻找暗物质粒子相互碰撞并湮灭时产生的常规粒子。特别是第三种方法，正是它检验的破坏性过程决定了宇宙中WIMP的丰度。因此，如果这些反应在现今的行为模式与早期宇宙中保持一致，我们便能对它发生的概率作出明确的预测。至于前两种方法，预测就没有那么明确了。在对撞机实验中，我们探测WIMP的能力取决于它的质量：产生质量过大的WIMP所需的能量可能超过对撞机的极限。而在间接探测中，我们并不清楚WIMP与常规粒子发生碰撞的概率。
天体物理学的观测——间接探测——可能已经揭示了一些暗物质湮灭的信号。然而，这些观测结果也能用更普通的现象解释。例如，银河系中心的GeV伽马射线过量现象，它过量的比例和能量与WIMP湮灭信号相吻合。该现象首次发现于2009年，那为什么我们还没有宣布胜利呢？遗憾的是，我们了解到某些旋转的中子星亦能产生类似能量的伽马射线，而且此处过量的伽马射线很可能是一批过去未被发现的中子星留下的痕迹。我们希望这个问题未来几年内能被解决：如果在直接探测或对撞机实验中找到相应的信号可以支持暗物质的解释；如果在其他波长下发现来自中子星的辐射，则会排除这种暗物质解释。
在未来十年左右的时间里，智利和西班牙正在建造的切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array），还有计划在南美洲建造的南半球广域伽马射线天文台（Southern Wide-field Gamma-ray Observatory）等大型伽马射线望远镜，有望能探测到产生暗物质的WIMP机制，直至理论容许的最高质量上限。然而，即便我们未能观测到暗物质的湮灭现象，WIMP理论还有可能是正确的理论。在某些模型中，早期宇宙中产生WIMP的湮灭过程会在后来停止。不过，在这些情况下，对撞机实验和直接探测通常仍能探测到WIMP。
直接探测实验在提升对稀有事件的灵敏度方面取得了惊人的进展。在未来十年内，新一代实验有望达到足够的灵敏度，开始能探测穿越探测器的太阳中微子。在灵敏度达到这一水平之前，暗物质不大会同其他过程混淆，似乎也没有什么无法克服的技术挑战。在这个范围内，仍有许多简单模型预言的WIMP。
另一种暗物质候选粒子QCD轴子则与WIMP大相径庭，直到不久之前，我们都还没有足够的能力来检测它。与WIMP类似，轴子被视为一种新型的基本粒子，但质量要小得多：比任何已知的粒子都轻得多，甚至比中微子还要轻。如果这些粒子真的存在，无论是否构成了全部的暗物质，都有可能解决萦绕在强相互作用上的难题，而正是强相互作用将原子核牢牢固定在一起。此外，轴子理论提出了明确的预测：一旦我们确定了轴子的质量，便能估算出它与常规粒子相互作用的强度。然而，不幸的是，这些相互作用的强度取决于轴子的质量，对于质量较轻的轴子，相互作用可能极其微弱。
然而，轴子可能会产生显著的影响，因为要解释暗物质，它们的数量必须非常多，多到会表现为一种波动，而非作为独立的粒子存在。依据量子力学的原理，每个基本粒子同时也是一个波，且其波长与质量成反比。在小于该波长的尺度上，粒子的经典图像就会瓦解。轴子非常轻，它甚至能让我们在地面物理实验的尺度上看到量子效应。
根据预测，QCD轴子与常规物质之间的相互作用极为微弱，所以目前进行探索的实验相对较少，且搜寻的质量范围只占理论可能的极小一部分。然而，新的探测策略和量子传感技术提供了一种新的可能，让我们能横跨多个数量级的质量范围搜寻QCD轴子。作为一项长期的研究项目，轴子暗物质实验（ADMX-G2）的最新迭代版本展现出了极高的灵敏度。而类似暗物质收音机（DM Radio）等即将启动的项目，预计将显著拓宽搜索的范围。
在未来十年中，一系列关键的实验有望首次在理论预测的大部分质量范围内对WIMP和QCD轴子进行检验。理论框架已经确立，实验计划也已就绪。因此，我们或许可以“躺平”一阵，因为这些理论和实验结合的策略很有可能为我们找到正确的答案。
无穷的可能
无数理论都试图描述暗物质如何才能解释现在的宇宙，但每一种理论都引入了不同的粒子和相互作用来实现这一点。理论家已经详尽地勾勒出哪些设想可能具有实现的潜力，哪些则与观测不符。许多可行的假设与WIMP或轴子理论有着惊人的差异。例如，有些假设涉及的暗物质并非基础粒子，而是由更小单元组成的聚合体，类似于由不同暗粒子组成的暗物质原子。
如果暗区确实存在，我们则需要开发新的实验技术来探寻其踪迹。例如，传统的WIMP探测器对质量远轻于原子核的暗物质粒子不敏感，因为它们观测的是由入射暗物质对原子核产生的强烈“撞击”。新兴技术可以寻找电子（比质子轻约2000倍）被撞击的迹象，或者用更具创造性的方法来检测暗物质向常规粒子传递的微小能量。近期，超灵敏量子传感器的问世或许能为此提供助力。
即便探测不到暗物质的信号，我们也能通过它的引力效应不断深化对它的理解。目前以及未来的尖端观测设备，将以前所未有的精度和深度，对恒星及遥远星系的分布进行细致的测量。技术革新的浪潮滚滚而来，精密宇宙学与人工智能领域的迅速发展，有助于我们从这些数据中挖掘出尽可能多的信息。这有望为揭示暗物质的基本属性提供新的线索，丰富我们在实验室研究中所得的知识体系。
在所有关于“斯诺马斯进程”的讨论之后，物理学界决定采取一种均衡策略。我们计划深入探究我们最为偏好的暗物质理论，同时，也将开展广泛但相对浅表的搜寻，以期探索并涵盖尽可能多的可能性。
如果我们幸运的话，这些实验中的某一个将能够做出明确的发现。一旦这种情形发生，它将引发范式转变。广泛的多样化搜索将塌缩、聚焦到特定的信号，我们将会规划未来的实验，更深入地探究其本质。同时，此发现还将促使理论家去研究如何将暗物质与我们已知的其他粒子体系相融合，进而构建更为宏大的图景。
但如果这些实验都没有发现暗物质信号怎么办？也许参与十年后的下一次“斯诺马斯进程”的物理学家将不得不使用零结果来为未来的搜寻指明方向。我们不能否认这个结果会令人失望，但它仍应被视为科学探索中不可或缺的一环。科学的发展是累积的，那些告诉我们此路不通的实验结果，与那些证实了某个理论的结果，重要性是相当的。若暗物质的面纱已被我们轻易揭开，那科学探索的激情与魅力或将大打折扣，因为那将意味着答案成为了已知。虽然我们不能确切地说何时，甚至不确定是否能发现暗物质，但宇宙的广阔与深邃，已为我们提供了足够的证据，它必然存在。因此，不论哪种情况，我们保持乐观态度，相信在未来我们将对暗物质有更深刻的认识与理解。
本文节选自《环球科学》2024年10月刊文章：《暗物质的下一张寻宝图》 |
