暗物质的探索

“在这里转弯。走右边的土路。你一定要看看这个。”我停好租来的车，里克·盖茨克尔带我去一个临时搭建的木制观景台，俯瞰南达科他州莱德的特洛伊矿，距离他家只有一英里。在渐浓的暮色中，我们看到一队卡特彼勒挖土机铲起并运走山体上的碎石，形成了一个大阶梯状矿坑。附近，一个平坦的山脊耸立在那里，卡车最近在那里堆放了先前挖掘的岩石。他们刺眼的车灯映照着金星的光芒，就在地平线上方盘旋。

“真是难以置信，”盖茨克尔说，“根本停不下来。他们真的在费尽心机寻找黄金。”在昏暗的灯光下，我试图读懂他的表情。起初，我以为他是在表达对特洛伊遗址挖掘者的情谊。严格来说，他是布朗大学的物理学教授，但说他也是一名勘探者也并不夸张。

盖茨克尔带领的团队刚刚启动了大型地下氙气 (LUX) 实验，这是一个巨大的粒子探测器，位于附近霍姆斯特克金矿近一英里深处。实际上，他是在寻找暗物质，这种看不见的物质——目前还只是假设的物质——占宇宙质量的六分之五。如果他找到了，诺贝尔委员会很可能会来找他。仅仅发现一打暗粒子就足以让整个现代物理学家大吃一惊。考虑到 LUX 实验的建设成本约为 1000 万美元，暗物质的实际价格约为每盎司一百万万亿万亿美元。这是一种非常珍贵的材料。

“我已经寻找暗物质 23 年了，不，24 年了，”他说。他并不是唯一一个；寻找暗物质已经发展成为一个小型产业，尽管它还没有产品可以出售。“每个实验都报告了基本负面的结果。甚至没有人确切知道这种该死的东西是否真的存在。那些家伙，”盖茨克尔指着矿坑说，“确切地知道金子在哪里。”我现在意识到他并不是同情矿工。他感到的是嫉妒。

然后他的表情变得明亮起来：“这一次，结果可能会有所不同。经过大约两周的运行，我们预计 LUX 的灵敏度将超过目前世界领先的实验。此后，它应该能够以前所未有的方式对暗物质粒子产生灵敏度。与此同时，其他实验正在多个方面接近暗物质。”

在我们周围，第二种现实将宇宙联系在一起并赋予它秩序。在我们站立的地方下方，卡车继续不停地移动。上方，北斗七星的星星闪闪发光。在我们周围，第二种现实似乎将宇宙联系在一起并赋予它秩序。历史上没有人见过这种看不见的结构。但在未来两年内，像盖茨克尔这样的科学家可能会将它带入视野。

接触暗物质

如果你想接触像暗物质这样微妙的东西，你需要做的第一件事就是远离可能阻挡你道路的一切。这就是为什么我去 LUX 实验的旅程从乘坐震耳欲聋的电梯开始，沿着古老的霍姆斯特克矿井的耶茨井道而下。地面世界充斥着太阳、深空中超新星爆炸甚至遥远黑洞发射的高速原子碎片。随着我下降的每一秒，那种混乱都在消退。经过 10 分钟的下降，我到达了 4,850 英尺的高度，走进了一个灯火通明的白色隧道迷宫。直到 2002 年，霍姆斯特克还是一座活跃的金矿。现在，它已被重新用作桑福德地下研究设施。只有在这里，地面世界才足够遥远，LUX 才能发挥作用。

暗物质研究的历史也遵循了类似的轨迹，科学家们剥离了宇宙中可见的部分，以确定宇宙中还存在什么。它始于 20 世纪 30 年代，当时瑞士天体物理学家弗里茨·兹维基 (Fritz Zwicky) 测量了星系的运动，并意识到即使考虑到了所有的恒星和气体，似乎还是有一些东西残留下来：大量看不见的物质团块以高速拉动星系。他称之为暗物质。

如今，暗物质的证据无处不在。一种看不见的因素使星系旋转得比预期的快。它使星系团弯曲和扭曲经过的星光，超出了应有的范围。它甚至似乎解释了这些星系最初是如何形成的。超级计算机模拟显示，早期宇宙中弥散的普通物质云没有足够的引力将星系和星系团聚在一起，形成如今看到的有序星系和星系团。在加入暗物质成分的情况下运行相同的模拟，一切都恰到好处。

没人知道暗物质是什么。但物理学家可以告诉你它到底不是什么：组成你、我和可见世界中一切的普通原子。一些最有说服力的证据来自对宇宙微波背景（大爆炸的余辉）的测量。在宇宙诞生的那一刻之后，整个宇宙就像钟一样响起，就像钟声反映其大小和形状一样，宇宙铃声的模式也准确地揭示了早期宇宙中存在的物质。答案令人震惊：15% 的物质过去是可见的，现在仍然是可见的，85% 是暗物质。（更奇怪的是，暗物质和可见物质加起来只占总质量的三分之一；其余的似乎是嵌入在空间本身中的未知能量形式。）

“当我上大学时听说宇宙中 85% 的物质都消失了，我就知道这就是我想要研究的东西，”在桑福德设施工作的耶鲁大学研究生 Nicole Larsen 说道。Larsen 和我站在金属格栅上，注视着这个两层楼高的 LUX 探测器的顶部九英尺。所有看起来很酷的东西——保持设备清洁和冷却的管道、收集和处理数据的电子设备——都在这里的第二层。

我们走下楼梯，我注意到探测器本身有点令人失望。它看起来很像一个巨大的水箱。事实上，它确实是一个巨大的水箱。它能容纳 70,000 加仑的超纯水，可以阻挡周围岩石释放的天然放射性。水箱内悬挂着一个 70 英寸高、两吨重的钛冷冻机，里面装有 800 磅液态氙，温度冷却至 -170°F。

考虑到底层科学的复杂性，LUX 背后的概念却出奇地简单。“无论暗物质是什么，它肯定是粒子形式，”盖茨克尔说。根据主流物理学理论，暗物质是一种弱相互作用大质量粒子，简称 WIMP。迟早，路过的 WIMP 会随机撞上普通物质的原子，使原子飞起来。这就像隐形人出去慢跑，不小心撞上另一个慢跑者，从而暴露了自己的身份。当 LUX 内部的氙原子发生这种情况时，它会发出闪光并释放出微弱的电荷。容器内的探测器会寻找这对泄露秘密的信号，而软件会清除其他所有噪音。

在其他 10 个竞争实验中，所有实验都依赖于相同的基本碰撞原理：发现信号、发现 WIMP、识别暗物质、获得诺贝尔奖。LUX 会是获奖者吗？

盖茨克尔叹了口气。“现实情况是，你主要试图识别那些看起来像暗物质的普通信号。你处于技术的最前沿，所以你经常需要边工作边学习探测器的工作原理，”他说。这很容易导致错误和有争议的说法，过去二十年里这样的说法不胜枚举。许多其他暗物质实验报告了有趣但模糊的目击事件。其中一个位于意大利的名为 DAMA 的实验声称，他们进行了 10 年的观测，追踪了吹过地球的暗物质粒子。竞争团队没有发现错误来源，但他们也无法证实结果。

“每个人都在追赶它们，试图将木桩插入 DAMA 的心脏，”芝加哥大学的 Juan Collar 说，他领导着另一个名为 COUPP 的暗物质探测器，目前正在安大略省萨德伯里附近的 Vale Creighton 矿场启动。

Gaitskell 迫切希望得到更多简单明了的答案。“我认为，如果实验结果不比之前所有的结果都好，那就没有任何意义了，”他说，“所以我们计划建造一个更大、更灵敏的探测器。”今年，搜索将以 60 天的试运行开始，随后进行 300 天的运行。到那时，LUX 将深入未知领域，灵敏度将比之前的搜索高出约 10 倍。

创造暗物质

旨在直接探测暗物质的实验（如 LUX）之所以吸引人，是因为它们非常直观：要么有东西在探测器内部发生碰撞，要么没有。但它们的简单性带来了一些严重的限制。如果暗粒子比预期的要轻得多，它们可能不会出现在探测器中。即使它们出现了，探测器也只能告诉你一些关于它们属性的信息。

如果你真的想了解暗物质的物理原理，你就需要在实验室中制造它，这样你才能研究它并弄清楚是什么让它运转起来。如果你想开始制造一种从未有人见过的奇异新粒子，你需要预订飞往日内瓦的航班，进入另一条隧道，然后去大型强子对撞机 (LHC) 工作。

这就是美国国家粒子物理实验室费米实验室的物理学家乔·莱肯过去六年来一直在做的事情。他的数千名同事也在做同样的事情。尽管有关希格斯玻色子的新闻头条铺天盖地，但发现它对大型强子对撞机来说只是次要成就。近半个世纪前，彼得·希格斯预测了这种粒子的存在，填补了粒子物理学标准模型的总体框架的空白。该领域的大多数研究人员认为希格斯玻色子的存在已成定局。（麻省理工学院的一位物理学家私下承认，希格斯玻色子与该模型如此吻合，他“有点沮丧”。）

LHC 的真正目标是解决标准模型未能解决的一些重大问题。其中最重要的问题是：为什么引力与其他力相比如此微弱？为什么物质被任意分为两类粒子（例如光子和电子），它们的行为遵循不同的规则？还有，暗物质是什么？

事实证明，所有这些问题可能都与一种名为超对称的理论有关。“过去 30 年来，我们都一致认为超对称是大自然最明显的表现，”莱肯说，因为它恢复了粒子物理学的平衡，并为人们长期寻求的“万物理论”指明了方向。超对称理论预测，存在尚未发现的第三类粒子，它们将我们已知的两种粒子联系起来。巧合的是，该粒子家族包括符合暗物质描述的粒子：质量大、稳定、不可见。因此，证明超对称理论正确的过程应该会产生令人欣喜的副产品，即创造暗物质并确定其确切属性。这就是 LHC 的作用所在。

在大型强子对撞机上，物理学家让质子束穿过 17 英里长的地下环路，将其加速到光速的 99.9999991%，然后让它们碰撞在一起。在这种速度下，质子束包含的能量惊人：光束包含的能量相当于一辆以接近音速行驶的丰田卡罗拉。碰撞后，这些能量必须转移到某个地方。结果就是，它们会自发转化为物质，形成粒子喷雾。（物质和能量的等价性——e=mc2 的灵魂——是亚原子世界的日常现实。）任何能被如此大的能量创造的粒子都可能存在于粒子喷雾中。

莱肯等研究人员的最大希望是暗物质粒子也在其中。找到它们非常困难，因为粒子本身可能在 LHC 的仪器中飞过却无法被看到。“相反，你要寻找我们所说的‘缺失的能量特征’，”莱肯说。“这说明有一个或多个粒子我们没有直接探测到。”这又是另一种追逐阴影的方式。

到目前为止，自 2010 年 LHC 开始对质子进行碰撞以来，这些实验一直在进行，但一无所获。“我认为可以公平地说，人们对 LHC 规模如此之大、如此大胆的仪器竟然没有发现超对称性的证据感到有些惊讶，”Gaitskell 说。一些物理学家开始抱怨放弃该理论，但 Lykken 并不十分担心。由于发生了一些技术事故——最著名的是 2008 年超过 6 吨的液氦泄漏——LHC 一直以大约一半的功率运行。去年二月，工程师关闭了机器进行重大升级。

2015 年，LHC 将以满能状态重新启动。从技术角度来说，它将从 8 万亿电子伏特升至 14 万亿电子伏特，但从概念上讲，物理学家计划将能量提高到 11。“我们刚刚运行了两年的 LHC 是事故发生后的备用方案，”Lykken 说。“因此，我们没有在 LHC 上发现超对称现象，因此感到失望是不公平的，因为真正的 LHC——我们一直宣传的那个——实际上还没有出现。”

重生的 LHC 将以多种形式搜寻暗物质。印第安纳大学研究员 Pauline Gagnon 在建造该对撞机的欧洲物理学联合会 CERN 工作，她正在探索推测性的“隐谷”模型，其中整个暗粒子的平行世界将逐渐出现在 LHC 的视野中，然后消失。她指出，寻找暗物质的另一个地方是希格斯玻色子衰变时产生的粒子。这一概念表明粒子物理学的发现过程进展得非常快。去年，希格斯玻色子引起了轰动，引发了夸张的新闻报道和极客狂欢。到 2015 年，希格斯玻色子将成为人们熟悉的一部分。它将成为那些淘金暗物质的人需要洗去的泥土和沙子。

追捕暗物质

虽然大多数暗物质侦探都潜伏在地下，但丁肇中却将研究重点放在距离地球 200 英里的国际空间站。丁肇中没有兴趣等待暗粒子撞击原子或从地球上的探测器中射出；他想在太空中追踪它们，在它们自己的地盘上，通过拾取它们可能留下的可见踪迹。

乍一看，这听起来似乎有些矛盾。如果某物是暗的，它怎么可能被看见呢？但正如其他粒子可能产生暗物质一样，暗物质有时也会产生其他粒子。特别是，目前的理论表明，如果两个 WIMP 相撞，它们会相互毁灭，产生伽马射线和可探测的粒子。

这些粒子将具有一些不同寻常的特性。首先，它们由等量的物质和反物质组成，最有可能是电子和它们的反向孪生子正电子。其次，这些粒子可以携带任意数量的能量，但不能超过某个值，这个值由原始暗物质粒子所含的能量决定。由于质量和能量是等价的，因此最大能量可以揭示暗粒子的质量。因此，可见信号（如果你宽泛地使用“可见”一词）看起来是这样的：一股意想不到的正电子流，其能量遵循非常严格的限制。“你会知道它具有暗物质性质，因为这种分布只能来自粒子物理学，”丁说。

在地球上，正电子一接触到普通物质就会被摧毁，因此丁肇中说，获取暗物质信号的唯一方法是在太空真空中搜索。毫不奇怪，将巨型粒子探测器发射到大气层之上的想法最初引起了很多怀疑。“没人想到这可以在太空中实现，”他说。丁肇中奋斗了 17 年，经历了一次航天飞机灾难、无数资金挑战和几次艰巨的技术挫折，才得以实现。最终，在 2011 年，宇航员在国际空间站的主桁架上安装了丁肇中重达 18,500 磅、耗资 20 亿美元的阿尔法磁谱仪 (AMS)。

今年春天，丁肇中公布了首批 250 亿个粒子探测数据。他对这个模棱两可的结果持乐观态度。AMS 没有发现明显的能量截止点——丁肇中称之为“悬崖”——尽管悬崖前可能有一点平坦的迹象。同样令人鼓舞的是：“我们的数据来自四面八方，”丁肇中说，这与弥散暗物质相符，但与附近的天体（如坍缩恒星）不符，后者恰好会喷出正电子。他指出，他计划从现在到 2028 年收集的数据只有 8%，这将使他能够绘制出类似于 LHC 碰撞能量的宇宙物质和反物质图。“以前从来没有人去过那里，”丁肇中说。

对于粒子搜索来说，AMS 是目前最好的选择——而且可能在未来几十年内都是如此。但其他研究人员正在追踪太空中的暗物质踪迹，寻找当两个暗物质粒子碰撞时也会出现的伽马射线。这种方法不需要那么大胆的措施，也不需要那么大的耐心：NASA 已经有了一架太空望远镜——费米天文台，能够探测到这种高能光爆发。

事实上，科学文献中充斥着各种挑衅性的辐射特征声称。过去几年，几个研究小组宣称费米望远镜至少探测到了四种不同的伽马射线信号，这些信号与任何已知物体或过程都不匹配。这似乎是暗物质存在的诱人证据，但这些报告在许多细节上存在分歧。而且许多所谓的目击事件非常微弱，很难与仪器效应或随机宇宙噪声区分开来。更奇怪的是，根据传统的暗物质理论，其中一些根本无法探测到。

哈佛大学的道格拉斯·芬克拜纳在过去一年中花了大量时间试图解释这些可能的暗物质信号，他毫不掩饰自己的沮丧。“这是一场艰难的游戏，”他说。“我总结一下，目前的情况很混乱。”然而，在这种混乱中，他看到了通往更深层次真理的进展：各种实验并不完全匹配，这一事实可能表明，暗物质之谜的答案不止一个。

“我不明白暗物质怎么会只是一种独立存在的小粒子，与其他粒子毫无关系，”芬克拜纳说。“我认为这将打开一个全新的物理学领域的大门。”

测试影子宇宙

芬克拜纳在哈佛-史密森天体物理中心工作，该中心是一群通过观察研究宇宙的科学家的堡垒。沿着花园街步行 10 分钟，走进红砖砌成的杰斐逊实验室，敲开哈佛物理学家丽莎·兰德尔的门，你就进入了理论的世界。在这里，影子世界的碎片可能开始组合成一幅单一、连贯的画面。

“这只是一个很棒的新想法，所以研究起来很有趣，”兰德尔说。她指的是去年夏天公布的一项新理论，称为“双盘暗物质”。这个名字听起来像失败的 Ben & Jerry's 口味，根本无法体现它的真正含义。兰德尔和她的同事们所做的就是推翻天文学家和物理学家对暗物质做出的许多假设，这主要是出于对简单性的追求。

科学家们大多假设暗物质是一种粒子——但兰德尔问道，如果是两种或两种以上的粒子混合在一起会怎么样？他们认为暗物质基本上是惰性的，因为它几乎不与可见物质相互作用——但如果暗物质能以丰富而复杂的方式与自身相互作用会怎么样？兰德尔描述了第二种暗物质的可能性，我的后颈开始毛骨悚然。“可能有原子，可能有某种暗化学。可能有凝聚体，然后它们可能会分裂成更小的物体，”她说。“相对于我们的光，它是暗的，但相对于它自己的光，它可能不是暗的。”

兰德尔已经超越了隐喻。她描述的是一个真实的影子宇宙。

暗物理可能催生暗星、暗行星，甚至暗生命。在这种新观点中，主要的暗物质成分仍是弥散的，基本无定形，这解释了观测到的星系运动以及所有其他最初证实暗物质存在的证据。第二种相互作用成分则截然不同。它会像可见物质一样坍缩，形成一个嵌入银河系可见盘内的暗盘，即双盘暗物质。该盘可能受其自身相互作用和自身力的控制。原则上，暗物理可能催生暗星、暗行星，甚至暗生命。“还有一些更疯狂的想法，我们正在研究它们，”兰德尔说。“这真的是一个全新的世界。”

兰德尔和她的同事们首先考虑的是，某些暗物质的密度是否可能比预期的要大，正如费米伽马射线探测似乎表明的那样，但直接探测实验却没有发现它们。他们的理论可以解释这两部分：暗盘会聚集成一个集中的扁平形状，但它会与地球和银河系的其他部分一起旋转，就像旋转木马上相邻的马匹一样。暗盘中的粒子相对于我们几乎不会移动，因此在 LUX 这样的仪器中几乎不会引起任何反应。在一项尚未发表的双盘理论的阐述中，兰德尔和麻省理工学院的物理学家马修·麦卡洛甚至解释了为什么有些地下探测器会探测到暗物质，而其他的则不会。

对于像里克·盖茨克尔这样坚定地以数据为导向的人来说，所有这些理论听起来都有点儿滑稽。“如果我可以套用电视剧《豪斯医生》的话，有时候如果一种理论无法解释，你就会有另外两种理论，但你应该抵制这种做法，”他说。盖茨克尔在 COUPP 的竞争对手胡安·科勒对哲学上相反的观点持开放态度：“如果我们可以感知的宇宙如此丰富，为什么事物的黑暗面不会同样丰富甚至更加丰富？”对于像莱肯这样的粒子科学家来说，一个充满各种暗粒子的宇宙听起来不仅可能而且合理。“暗物质比我们已知的物质还要多，”他说。“那么为什么暗物质不应该至少同样复杂呢？”

幸运的是，兰德尔的想法也是可以验证的，答案也可能在未来几年内揭晓——甚至可能在 LUX、LHC 和 AMS 有机会参与之前。如果我们银河系可见盘旁边有一个暗盘，它应该会对周围恒星的运动产生可测量的影响。一架名为盖亚的欧洲新太空望远镜即将开始进行这些测量，截至发稿时，该望远镜定于 2013 年 11 月发射。

正如弗里茨·兹维基 80 年前在跟踪星系运动时首次瞥见黑暗宇宙一样，盖亚也可能揭开我们面前的整个阴影世界。我的思绪回到特洛伊矿山上方的场景。盖茨克尔和我低头看着，想象着下面的黄金。一直以来，阴影宇宙的证据可能就漂浮在我们上方，等待着有人在星空中注意到它。

Corey S. Powell 是《发现》杂志的特约编辑和《美国科学家》的代理编辑。本文最初发表于《大众科学》2013 年 11 月刊。