（來源：麻省理工科技評論）

在亞平寧山脈的地下、四川錦屏山的深處、南達(dá)科他州一座礦井的底部，一場宇宙級別的追捕正在進(jìn)行。

深埋在這些巖石屏障下面，裝滿液態(tài)氙的巨型探測器試圖首次直接探測到暗物質(zhì)——那種人類尋找已久的隱形物質(zhì)，它的引力塑造了我們的宇宙。

研究者希望有一天，一顆被稱為“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（WIMP）的暗物質(zhì)粒子會(huì)撞上一個(gè)氙原子，產(chǎn)生一束閃光和一股電荷。這些實(shí)驗(yàn)運(yùn)行了好幾年，最近開始捕捉到一種稀有的信號，一種像幽靈一樣穿過普通物質(zhì)、偶爾才撞上探測器的粒子。遺憾的是，這個(gè)信號不是暗物質(zhì)產(chǎn)生的。探測器捕捉到的是一種同樣飄忽不定但普通得多的東西：中微子——太陽和其他恒星大量產(chǎn)出的超輕亞原子粒子。

在預(yù)想的位置找不到暗物質(zhì)，促使物理學(xué)家提出了大量新的搜尋方案：量子傳感器、液態(tài)氦探測器、在木星大氣層中搜索，等等。

物理學(xué)家?guī)资昵熬椭肋@個(gè)中微子背景噪聲的存在，只是寄希望于在中微子成為干擾之前先找到 WIMP 暗物質(zhì)。然而，如今的希望越來越渺茫了。當(dāng)今的一些 WIMP 探測器實(shí)在太大、太靈敏了，它們正在進(jìn)入所謂的“中微子迷霧”中——中微子信號很可能淹沒真正要找的目標(biāo)。沒有任何屏蔽手段能擋住中微子，它們輕輕松松就能穿過整個(gè)地球。這意味著下一個(gè)用這種傳統(tǒng)方法搜尋 WIMP 暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，可能就是最后一個(gè)。

但撞上中微子迷霧并不意味著暗物質(zhì)搜尋的終結(jié)，研究者只需要換一個(gè)方向?！拔覀儧]有看到 WIMP 暗物質(zhì)。”加州理工學(xué)院理論粒子物理學(xué)家凱瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）說。科學(xué)家也沒有在橫跨法國和瑞士邊境的強(qiáng)大質(zhì)子對撞設(shè)施大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）中發(fā)現(xiàn)新粒子?！八匀藗冏匀粫?huì)把視野放寬。”祖雷克說。視野一放寬，等著被檢驗(yàn)的候選者還有很多。

換句話說，這場搜尋正在從一個(gè)窄小的探測變成一場全面鋪開的行動(dòng)，這是一個(gè)很大的轉(zhuǎn)變。今天的粒子物理學(xué)家對暗物質(zhì)身份的把握，反而不如他們剛開始找的時(shí)候。他們會(huì)坦率地承認(rèn)：連最基本的問題都不能想當(dāng)然——比如暗物質(zhì)的組成成分比地球重還是比無線電波輕，暗物質(zhì)是一種粒子還是十幾種。

這種不確定性令人沮喪，甚至讓人謙卑。“候選者可能存在的范圍太大了，任何一個(gè)小實(shí)驗(yàn)找到它的概率都非常非常小?！奔又荽髮W(xué)圣巴巴拉分校暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家休·利平科特（Hugh Lippincott）說。

但在預(yù)想位置找不到暗物質(zhì)，也催生了大量新搜尋方案：量子傳感器、液態(tài)氦探測器、在木星大氣層中搜索，等等?！艾F(xiàn)在大家非常興奮。而且終于有了合適的技術(shù)?！比A盛頓大學(xué)物理學(xué)家格雷·里布卡（Gray Rybka）說。他聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)著一項(xiàng)搜尋軸子（一種超輕暗物質(zhì)候選粒子）的實(shí)驗(yàn)。

但可以找的地方這么多，物理學(xué)家該從哪里重新開始？

天文學(xué)上的無知

先從宇宙的誕生說起。暗物質(zhì)從一開始就跟我們在一起，那些早期歲月有很多東西可以學(xué)。宇宙早年發(fā)出的第一縷光充滿了由底層物質(zhì)分布不均勻造成的波動(dòng)，讀這些宇宙“殘?jiān)保芯空吣芸闯鲇钪嬷兄挥?17% 的物質(zhì)是由質(zhì)子和中子這樣的普通粒子組成的，剩下 83% 是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)除了引力之外，跟光和普通物質(zhì)幾乎沒有任何相互作用。

雖然看不見暗物質(zhì)，但它的引力留下了大量線索。我們知道銀河系周圍包裹著一團(tuán)暗物質(zhì)，因?yàn)樘栂道@銀河中心轉(zhuǎn)的速度太快了，光靠普通物質(zhì)的引力根本拽不住。沒有暗物質(zhì)在旁邊拉著，我們早就被甩進(jìn)星系間的虛空了。我們還能看到暗物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)彎曲經(jīng)過它的光線，就像透鏡一樣。把視野拉到最大，超星系團(tuán)在太空中的分布就像蛛網(wǎng)上的露珠——這種結(jié)構(gòu)離了暗物質(zhì)，任何宇宙學(xué)理論都解釋不了。

但所有天文學(xué)和宇宙學(xué)的證據(jù)對“暗物質(zhì)到底是什么做的”幾乎一無所知。“它告訴不了你單個(gè)組成成分是什么，只能告訴你一大堆放在一起的總效果?！崩娇铺卣f。他領(lǐng)導(dǎo)著 LZ 實(shí)驗(yàn)，一臺(tái)目前在南達(dá)科他州前霍姆斯塔克礦井里運(yùn)行的 WIMP 暗物質(zhì)探測器。

WIMP 這個(gè)概念是 1980 年代提出來的。當(dāng)時(shí)理論家們在想怎么擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型——粒子物理學(xué)的總框架，描述了宇宙中所有基本粒子和它們之間的相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型很強(qiáng)大，但有缺口，最明顯的就是沒有包含引力，所以需要補(bǔ)充。當(dāng)時(shí)最流行的補(bǔ)充方案叫超對稱（簡稱 SUSY），核心思路是：宇宙中每一種已知粒子都應(yīng)該有一個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的“超伙伴”。要解釋為什么超伙伴至今沒被探測到，它們就必須質(zhì)量很大（大到現(xiàn)有對撞機(jī)夠不著）、而且跟普通物質(zhì)的相互作用極弱，能像幽靈一樣穿過物質(zhì)。換句話說，超伙伴就是 WIMP。物理學(xué)家很快意識到 WIMP 同時(shí)也是絕佳的暗物質(zhì)候選粒子：兩個(gè)問題，一個(gè)粒子全解決。

超對稱這個(gè)想法太誘人了，很多粒子物理學(xué)家指望 LHC 一開機(jī)就能看到 WIMP。結(jié)果 2008 年 LHC 啟動(dòng)，數(shù)據(jù)一批批出來，最有希望的超對稱理論基本被排除了。WIMP 倒是活了下來，只不過跟催生它的那套理論脫了鉤。

但現(xiàn)在看來，WIMP 如果存在，可能已經(jīng)超出了我們當(dāng)前的探測能力。困難有很多，最棘手的一個(gè)可以這樣理解：你在大海撈針，偏偏海里還有幾根長得像針的東西。中微子和探測器里的氙之間偶爾會(huì)發(fā)生相互作用，雖然概率極低，但產(chǎn)生的信號跟暗物質(zhì)的太像了，分不清楚。

如果還有最后一次 WIMP 實(shí)驗(yàn)，它得搜遍 WIMP 所有可能藏身的角落，連中微子迷霧里面也不放過。有一個(gè)叫 XLZD 的項(xiàng)目正是為此設(shè)計(jì)的（名字拗口，是幾個(gè)現(xiàn)有合作項(xiàng)目拼在一起的縮寫），計(jì)劃使用 60 到 80 噸液態(tài)氙——相當(dāng)于全球一年的氙產(chǎn)量，比目前最大的探測器多至少六倍。但這個(gè)項(xiàng)目可能已經(jīng)黃了：2025 年 12 月的一次粒子物理學(xué)會(huì)議上，美國能源部宣布既不承辦也不出錢，而項(xiàng)目造價(jià)可能遠(yuǎn)超 3 億美元?！斑@個(gè)項(xiàng)目可能根本做不成了，”利平科特說，“美國一退出，基本上就等于判了死刑?！?/p>

與此同時(shí)，暗物質(zhì)的搜尋范圍在急劇擴(kuò)大。2022 年研究者畫了一張巨大的候選者分布圖，把暗物質(zhì)可能的組成和對應(yīng)的質(zhì)量都標(biāo)了上去。候選者主要分布在兩個(gè)區(qū)間，跨度大約 50 個(gè)數(shù)量級——10 后面跟 49 個(gè)零。最重的一端是原初黑洞，一種假想的天體，大小跟小行星差不多，可能在大爆炸后不久就形成了，至今還在宇宙中飄蕩。

但很多物理學(xué)家最感興趣的是最輕的那頭：軸子。

側(cè)耳傾聽

跟 WIMP 一樣，軸子最初也是為了修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型才被提出來的。它要解決的是強(qiáng)核力的一個(gè)未解之謎——強(qiáng)核力是把原子核黏在一起的基本力。理論上，它處理物質(zhì)和反物質(zhì)的方式可以不一樣，但實(shí)驗(yàn)顯示它偏偏完全一樣，沒人說得清為什么，這個(gè)現(xiàn)象被叫作“強(qiáng) CP 問題”。1970 年代理論家提出了一個(gè)辦法：加入一種極輕的粒子，質(zhì)量只有電子的萬億分之一到百萬分之一，或許就能把這個(gè)問題解決。這就是軸子。

軸子數(shù)量龐大，跟普通物質(zhì)幾乎不發(fā)生相互作用——正好是暗物質(zhì)必須具備的兩個(gè)特征。但要探測到它很難。軸子攜帶的能量微乎其微，大約跟一個(gè)無線電波差不多，傳統(tǒng)粒子探測器根本感覺不到。（LHC 里質(zhì)子對撞釋放的能量大約是軸子的 100 億億倍。）

物理學(xué)家想了一些招。最有希望的一種是把一個(gè)超冷腔體加上強(qiáng)磁場當(dāng)成收音機(jī)用，調(diào)到特定波長上“收聽”。如果恰好有一顆軸子跟腔體共振（也就是波長對上了）它就有機(jī)會(huì)變成一個(gè)光子，那就好檢測多了。第一臺(tái)全尺寸探測器叫“光暈鏡”（haloscope），1994 年在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室建成。今天全球有一批這樣的探測器，名字都很古怪：MADMAX、ABRACADABRA。

拿一臺(tái)宇宙收音機(jī)去聽一顆隱形粒子，需要極其精細(xì)的操作。量子傳感器要冷卻到毫開爾文——離絕對零度只差零點(diǎn)幾度。即便如此背景噪聲也消不干凈?！坝幸淮挝覀儥z測到了一條‘上帝的信息’，”里布卡自嘲地告訴我，“一查聯(lián)邦通信委員會(huì)的頻譜分配表，是一家宗教廣播電臺(tái)。”

到目前為止，物理學(xué)家大概搜索了能解決強(qiáng) CP 問題的軸子可能存在的參數(shù)空間的 10% 到 20%。但搜尋不止于此，他們也在找那些不解決強(qiáng) CP 問題、但仍然可能是暗物質(zhì)的軸子?！霸絹碓蕉嗟娜嗽趯ｉT為暗物質(zhì)構(gòu)建模型，哪怕跟其他問題無關(guān)，”加州大學(xué)圣克魯茲分校理論物理學(xué)家戈里說，“當(dāng)然，能一次解決兩個(gè)問題就更好了?！?/p>

靜靜的革命

暗物質(zhì)遲遲找不到，物理學(xué)家的心態(tài)也在變。候選者不再需要 WIMP 那種理論上的優(yōu)雅，也不需要軸子那種簡潔，而是退而求其次，只要符合暗物質(zhì)的基本要求就行。

這類“不挑剔”的候選者中最有代表性的是低質(zhì)量暗物質(zhì)，質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間。石溪大學(xué)理論物理學(xué)家埃西格打了個(gè)比方：WIMP 是臺(tái)球，低質(zhì)量暗物質(zhì)是乒乓球。乒乓球砸到保齡球瓶上，力道太小，撞不出清晰的信號。“必須想出全新的探測方法，也需要全新的技術(shù)?！卑Ｎ鞲裾f。

研究者設(shè)計(jì)了各種新型探測器，裝在世界各地的地下實(shí)驗(yàn)室里，很多就緊挨著老一代 WIMP 探測器。有的找粒子撞飛電子的痕跡，有的盯著晶體，看晶格被輕輕撞一下后有沒有微微顫動(dòng)。還有原型機(jī)用液態(tài)氦——一種極靈敏的超流體，暗物質(zhì)粒子打上去應(yīng)該會(huì)濺起“水花”。

但有個(gè)麻煩：噪聲。暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)都受外部噪聲困擾，低質(zhì)量暗物質(zhì)搜尋還得對付探測材料本身的內(nèi)部噪聲。晶體里的原子晶格就像擁擠的地鐵車廂，天然會(huì)晃來晃去、擠壓“乘客”（電子）。這不是找暗物質(zhì)時(shí)想要的安靜環(huán)境。

噪聲已經(jīng)造成過困擾。2020 年，好幾臺(tái)搜尋低質(zhì)量暗物質(zhì)的探測器都冒出了大量出乎意料的信號。有人猜：這會(huì)不會(huì)就是暗物質(zhì)？查下來發(fā)現(xiàn)大部分信號的噪聲來源都能找到，答案很明確：不是。

背景噪聲什么地方都可能來。硅基探測器里的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生噪聲；在地表放太久的材料會(huì)被宇宙射線照出輕微的放射性；有一次實(shí)驗(yàn)里，一個(gè)晶體探測器被螺絲擰得太緊，多出來的壓力產(chǎn)生的振動(dòng)看起來跟暗物質(zhì)信號一模一樣?！案闱宄尘霸肼晱膩矶茧y，”勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家麥金西說，“但我們跳到新的探測范圍太快了，快到整個(gè)領(lǐng)域突然不清楚主要的背景噪聲是什么了?！?/p>

控制噪聲越來越重要，因?yàn)榈唾|(zhì)量暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)正在變大。幾年后麥金西和同事打算在法國莫丹、意大利邊境 1700 米厚的巖層下面安裝一批桌面大小的實(shí)驗(yàn)裝置。其中一個(gè)是裝著大約一湯匙超冷液態(tài)氦的容器。如果一顆低質(zhì)量暗物質(zhì)粒子撞上液面，產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)把數(shù)千個(gè)氦原子噴向上方，上面的硅探測器負(fù)責(zé)捕捉電壓的微觀變化。其他裝置用的是藍(lán)寶石-二氧化硅晶體和砷化鎵（一種半導(dǎo)體）。

這些實(shí)驗(yàn)的目的是篩選出最好的技術(shù)路線，然后再建更大、更靈敏、也更貴的探測器?！跋敕ㄟ€很多，哪種最適合放大規(guī)模還說不準(zhǔn)?！卑Ｎ鞲裾f?，F(xiàn)在的原則是：只要放得下桌面、理論上能測到暗物質(zhì)，就值得試。

引力至上

搜獵場不局限于桌面，也不局限于地球。有人建議別只在地下實(shí)驗(yàn)室里找，也去行星、恒星和衛(wèi)星上看看。如果暗物質(zhì)粒子偶爾在相遇時(shí)互相湮滅，可能會(huì)電離行星大氣中的氫，產(chǎn)生一道從太空就能看見的紫外極光。這種自湮滅釋放的熱量可能很大——大到足以熔化行星的內(nèi)核。地球的內(nèi)核是固態(tài)的，這本身就能反過來約束暗物質(zhì)的性質(zhì)。更精確地測量行星內(nèi)核溫度，能把約束條件收得更緊。

用天文現(xiàn)象來搜尋暗物質(zhì)不是新思路，但近年來物理學(xué)家的方案越來越有想象力。一個(gè)特別吸引人的建議是：去看木星衛(wèi)星木衛(wèi)三的冰封海洋。如果暗物質(zhì)非常重——比如是一顆原初黑洞——它可能打穿冰面，留下一個(gè)跟小行星撞出來的完全不一樣的坑。

也有物理學(xué)家認(rèn)為應(yīng)該把現(xiàn)有假設(shè)全放下，回到最基本的地方重新出發(fā)。“我們關(guān)于暗物質(zhì)的一切認(rèn)知都來自它跟引力的相互作用。”加州理工的祖雷克說。如果專注于引力這條線索，至少“你一定能學(xué)到東西”。

我們知道暗物質(zhì)在星系尺度以上是怎么表現(xiàn)的?！霸偻×丝?，暗物質(zhì)怎么在引力作用下聚到一起，我們幾乎一無所知?！弊胬卓苏f。比如在一個(gè)太陽系的范圍里，它是怎么分布的？

這不是一兩年甚至五年能做的事，而且現(xiàn)有技術(shù)的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。祖雷克做的是真正長遠(yuǎn)的打算?！按蟾判枰獛资?，也許一百年，”她坦言，“但我這輩子可能看不到了?！?/p>

也許將來有一天，物理學(xué)家可以通過監(jiān)測遙遠(yuǎn)脈沖星（死亡恒星的旋轉(zhuǎn)殘?。┑木_計(jì)時(shí)，或者測量被激光懸浮的原子之間引力的微小擾動(dòng)，更多地了解暗物質(zhì)的真面目。

眼下這個(gè)問題的規(guī)模令人發(fā)怵，尤其跟粒子物理學(xué)家以前解決過的問題比。LHC 開機(jī)之前，找希格斯玻色子的人已經(jīng)把搜索范圍框得很窄了。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算和扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)告訴他們：如果希格斯存在，質(zhì)量一定在質(zhì)子的 120 到 150 倍之間。LHC 開始對撞后沒多久，希格斯就從數(shù)據(jù)里冒了出來，正好是質(zhì)子質(zhì)量的 133 倍。

暗物質(zhì)完全是另一回事，幾乎是個(gè)徹底的謎。里布卡說猜它的質(zhì)量或相互作用強(qiáng)度就像“從帽子里抽數(shù)字”?！拔覀冞B帽子長什么樣都不知道?！?/p>

這么多未知數(shù)面前，成功毫無保障，研究者自己也清楚。“沒有誰保證你能發(fā)現(xiàn)什么。你可能在徹底浪費(fèi)時(shí)間?！卑Ｎ鞲裾f。

但這沒有讓他和其他人退縮?！皢栴}的性質(zhì)就是這樣。我們得大范圍搜、各種方法都試，”埃西格說，“沒興趣的話，還是去干別的吧?！?/p>

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