頭號(hào)種子傳來(lái)壞消息，暗物質(zhì)搜尋賽道上誰(shuí)將最終勝出？
寫在前面
本周《賽先生》特輯主題：暗物質(zhì)迷蹤。
有關(guān)暗物質(zhì)的新聞總是令世人矚目，然而幾十年來(lái)，我們得到的新消息卻總是同一個(gè)：還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。這多少有些讓人憂心忡忡，仿似我們進(jìn)入了一片漫無(wú)邊際的黑暗王國(guó)，迷失其中。
本周中，位于意大利的XENON1T研究團(tuán)隊(duì)公布了最新研究結(jié)果，科學(xué)家表示，歷經(jīng)一年多的搜索，這個(gè)世界上迄今最大、最靈敏的暗物質(zhì)探測(cè)器，仍未發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)的”蛛絲馬跡“。不過(guò)他們同時(shí)帶來(lái)了一點(diǎn)好消息：新研究縮小了尋找暗物質(zhì)“弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）”的范圍。
新的研究結(jié)果在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域引起了不小震動(dòng)，有科學(xué)家甚至悲觀地認(rèn)為：這一結(jié)果無(wú)異于對(duì)科學(xué)家曾寄予厚望的WIMP宣判了死刑。
科學(xué)從來(lái)都是在人類未知的黑暗世界里摸索前行。我們或許不必太過(guò)悲觀。畢竟，在搜尋暗物質(zhì)的賽道上，還有很多種子選手仍在奮力前行（今日頭條）?；蛟S你會(huì)質(zhì)疑，既然這么長(zhǎng)時(shí)間難覓暗物質(zhì)蹤影，是不是科學(xué)家一開始就錯(cuò)了？為此，小賽今天與你一起，簡(jiǎn)要回望暗物質(zhì)理論提出的背景和發(fā)展歷史（今日二條），同時(shí)跟大家講講未來(lái)發(fā)展的更多可能性（今日三條）。
或許，真正的黎明并不遙遠(yuǎn)。
我們現(xiàn)在能夠探測(cè)到的物質(zhì)，小到原子，大到星系，加起來(lái)的總和只占宇宙中總物質(zhì)的15%。余下的85%是什么？它們又在哪里？豈今為止都無(wú)人能夠解答。這些隱形的物質(zhì)被稱為“暗物質(zhì)”，它們活躍在理論家的模型中，卻頑固地拒絕被捕捉。
盡管收獲甚微，但搜尋暗物質(zhì)的努力從未停止。目前，全世界共有五十多個(gè)探測(cè)項(xiàng)目參與這場(chǎng)競(jìng)技比賽，它們按照探測(cè)原理的不同可以分成三組。接下來(lái)，我們將分別介紹各組的代表選手和它們的獨(dú)家技能。
直接探測(cè)組
如果暗物質(zhì)粒子和普通原子發(fā)生碰撞，就會(huì)釋放出能量和閃光。通過(guò)探測(cè)這些信號(hào)，從而尋找暗物質(zhì)的方法被稱為暗物質(zhì)的直接探測(cè)。由于信號(hào)非常的微弱，為了屏蔽噪聲，這一組的選手往往深埋于地下。
一號(hào)選手：大型地下氙探測(cè)器實(shí)驗(yàn)（LUX experiment）
數(shù)據(jù)采集開始時(shí)間：2013年4月
LUX實(shí)驗(yàn)位于南達(dá)科他州萊德市（Lead, South Dakota）的一個(gè)廢棄金礦內(nèi)，它在地下1600多米深處探測(cè)暗物質(zhì)的蹤跡。
Photo by C.H. Faham
科學(xué)家需要在零下100攝氏度的溫度下將液態(tài)氙裝滿這個(gè)巨箱。位于巨箱頂部和底部的光電倍增管用于光的探測(cè)，搜索著暗物質(zhì)與氙原子核發(fā)生碰撞的跡象。
LUX探測(cè)器的主要目標(biāo)是科學(xué)家們認(rèn)為最有希望的暗物質(zhì)候選粒子——弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。這種粒子“又胖又宅”，體重比質(zhì)子和中子都要大，還很少和其他物質(zhì)互動(dòng)。它之所以成為暗物質(zhì)的熱門候選者，主要是因?yàn)榭梢员缓芎玫胤湃胫髁鞯挠钪胬碚撃Ｐ屠铩?/span>
不過(guò)這個(gè)靈活的胖子沒那么容易現(xiàn)身。LUX探測(cè)器從2013年4月開始收集數(shù)據(jù)，到2016年5月完成最后一輪運(yùn)行，都沒有看到WIMP的信號(hào)。
二號(hào)選手：熊貓計(jì)劃（PANDAX）
數(shù)據(jù)采集開始時(shí)間：2014年5月
“熊貓計(jì)劃”實(shí)驗(yàn)室位于四川涼山彝族自治州的一條隧道中，深埋于海拔近4100米的錦屏山。它的探測(cè)原理與LUX一致。雖然地處偏僻，但“熊貓”的探測(cè)能力不輸國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)者。從2014年5月收集首批數(shù)據(jù)開始，隨著一次次的升級(jí)，它也一次次地取得了世界領(lǐng)先的靈敏度。
圖源：https://pandax.sjtu.edu.cn/pandax
可惜的是，熊貓也還沒能找到WIMP的蹤跡。
三號(hào)選手：XENON1T
數(shù)據(jù)采集開始時(shí)間：2016年11月
XENON1T探測(cè)器位于意大利格羅薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，在地下1400米深處。這個(gè)探測(cè)器使用了3200千克液態(tài)氙，是世界上最大的暗物質(zhì)探測(cè)器。它的目標(biāo)同樣是WIMP。
Photo by Roberto Corrieri and Patrick De Perio
2018年5月28日，XENON1T實(shí)驗(yàn)組發(fā)布了最新結(jié)果——仍然沒有發(fā)現(xiàn)WIMP。
四號(hào)選手：低溫暗物質(zhì)搜索（CDMS）
數(shù)據(jù)采集開始時(shí)間：2002年
CDMS所用的探測(cè)器被埋在美國(guó)明尼蘇達(dá)州深達(dá)700米的地下，和前三位利用液態(tài)氙進(jìn)行探測(cè)的選手不同，它主要由鍺元素和硅元素構(gòu)成。不過(guò)探測(cè)原理還是相似的。
圖源：http://www1b.physik.rwth-aachen.de/darkmatter/
2009年12月17日，CDMS的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩個(gè)可能的WIMP事件。他們認(rèn)為：“這個(gè)分析結(jié)果無(wú)法被視作WIMP的有力證據(jù)，但我們不能排除這兩起事件來(lái)自WIMP的可能性”。
CDMS計(jì)劃將升級(jí)為Super CDMS SNOLAB，雖然這個(gè)計(jì)劃一再延期，但它的目標(biāo)仍然是——WIMP！
五號(hào)選手：軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ADMX）
數(shù)據(jù)采集開始時(shí)間：20世紀(jì)90年代
這位選手沒有執(zhí)著于尋找WIMP，它的目標(biāo)是暗物質(zhì)粒子的另一個(gè)候選者：軸子。
軸子是物理理論中一種假想的基本粒子，這種粒子沒有電荷、沒有自旋、質(zhì)量還比WIMP小得多。因此，它們也更加難以尋找。
物理學(xué)家認(rèn)為軸子會(huì)衰變成為光粒子，有可能在穿越大部分物質(zhì)時(shí)無(wú)法被探測(cè)到，但它們可能會(huì)與磁場(chǎng)作用。因此ADMX的科學(xué)家用一個(gè)巨大的有內(nèi)置微波空腔的超導(dǎo)磁體來(lái)試圖捕捉軸子。
Credit: Mary Levin / University of Washington
盡管探測(cè)方法和目標(biāo)都變了，但結(jié)果還是類似的，ADMX至今沒能探測(cè)到軸子。
間接探測(cè)組
理論預(yù)言，兩個(gè)暗物質(zhì)粒子碰撞并湮滅會(huì)產(chǎn)生一對(duì)普通粒子，通過(guò)尋找這樣的湮滅產(chǎn)物便有希望找到暗物質(zhì)粒子。間接探測(cè)即是通過(guò)尋找宇宙線中的這些信號(hào)來(lái)尋找暗物質(zhì)。
一號(hào)選手：冰立方（ICECUBE）
建成時(shí)間：2010年
2010年底建成的ICECUBE位于冰天雪地的南極洲，它的主要目標(biāo)是捕捉來(lái)自太陽(yáng)系外的宇宙中微子。如果暗物質(zhì)粒子聚集在太陽(yáng)內(nèi)部，它們就有可能在太陽(yáng)核心處發(fā)生湮滅。而一旦這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的高能中微子被探測(cè)到，科學(xué)家便有可能找到暗物質(zhì)相關(guān)的線索。
Credit: Stephan Richter, IceCube/NSF
不過(guò)至今，這一切都還只是可能。
二號(hào)選手：Pamela 衛(wèi)星
發(fā)射時(shí)間：2006年6月
PAMELA衛(wèi)星的主要目標(biāo)是探測(cè)宇宙線中的反物質(zhì)成分。它在2008年發(fā)現(xiàn)，宇宙線中正電子比預(yù)期的多了許多。由于暗物質(zhì)湮滅可以完美解釋這些多出來(lái)的正電子，人們認(rèn)為這有可能就是暗物質(zhì)的信號(hào)。不過(guò)，暗物質(zhì)并不是這些正電子的唯一解釋，高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星同樣可以解釋觀測(cè)到的多余正電子。
藝術(shù)家筆下的PAMELA衛(wèi)星（Courtesy: PAMELA collaboration）
PAMELA衛(wèi)星已于2016年停止運(yùn)行。在此之前，它沒能分辨出那些多余正電子的來(lái)源。因此，它看到的信號(hào)成了一樁懸案。
三號(hào)選手：阿爾法磁譜儀（AMS）
發(fā)射時(shí)間：2011年5月
AMS漂浮在距離地面402km的國(guó)際空間站，配備了超高精度的探測(cè)器。
圖源：https://ams.jsc.nasa.gov/index.html
AMS于2011年搭乘美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)進(jìn)行國(guó)際空間站。自運(yùn)行以來(lái)，它不但證實(shí)了PAMELA的觀測(cè)，還在更大的能量范圍和更高的精度上擴(kuò)展了這一結(jié)論。但是，即使是AMS-02 的結(jié)果也無(wú)法確認(rèn)正電子的來(lái)源到底是暗物質(zhì)還是脈沖星。
四號(hào)選手：暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”（DAMPE）
發(fā)射時(shí)間：2015年12月
“悟空”于2015年12月17日發(fā)射成功。它擅長(zhǎng)準(zhǔn)確測(cè)量高能電子、伽馬射線的能量，以及區(qū)分不同種類粒子，在搜尋暗物質(zhì)粒子時(shí)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
“悟空”的藝術(shù)畫像（Credit: China Academy of Sciences）
“悟空”上天兩年之后，2017年11月30日，《自然》雜志在線發(fā)表“悟空”的首批探測(cè)成果：“悟空”衛(wèi)星的科研人員成功獲得了目前世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。其中的數(shù)據(jù)表明，有可能存在“質(zhì)量為1.4萬(wàn)億電子伏左右的新物理粒子”。但這些仍不足以確認(rèn)是否存在暗物質(zhì)。
主動(dòng)出擊組
上面的選手都屬于“守株待兔”型，等待信號(hào)出現(xiàn)，然后進(jìn)行探測(cè)。而這一組選手采取完全不同的策略，它們主動(dòng)尋找暗物質(zhì)。典型的代表就是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），即世界上能量最大的對(duì)撞機(jī)。
Photo by CERN
在LHC中，如果對(duì)撞粒子的總能量足夠高，碰撞過(guò)程就可能產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。但是暗物質(zhì)粒子無(wú)法被對(duì)撞機(jī)上的探測(cè)器探測(cè)到。因此，科學(xué)家在重建碰撞過(guò)程時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一部分能量和動(dòng)量消失了。通過(guò)這種方法就能在對(duì)撞機(jī)上尋找暗物質(zhì)的信號(hào)。
令人遺憾的是，2009年11月開始運(yùn)行的LHC至今未能“撞出”暗物質(zhì)粒子。
在這場(chǎng)暗物質(zhì)搜尋賽中，很難預(yù)測(cè)誰(shuí)將拔得頭籌，甚至也有可能，暗物質(zhì)在未來(lái)某一天被科學(xué)家確證為不存在。但無(wú)論最終結(jié)果如何，我們終會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有這些對(duì)未知的探索都是值得的，科學(xué)也正是在這樣的不斷嘗試中曲折前行。
參考資料
【1】它們正在尋找宇宙缺失的那一部分 https://mp.weixin.qq.com/s/7TPhQgVRnGsz99XT-wTpPQ
【2】暗物質(zhì)粒子探測(cè) https://mp.weixin.qq.com/s/P6_gGRdROANgVc8P6_tZfw
【3】暗物質(zhì)粒子探測(cè) https://mp.weixin.qq.com/s/vsoMHduzX0XbEo51t5fx6g
【4】LUX dark matter experiment http://lux.brown.edu/LUX_dark_matter/Home.html
【5】PANDAX https://pandax.sjtu.edu.cn
【6】XENON1T https://grandilab.uchicago.edu
【7】CDMS http://cdms.berkeley.edu/index.html
【8】ADMX https://arxiv.org/pdf/1112.1167.pdf
【9】ICECUBE https://icecube.wisc.edu
【10】PAMELA http://pamela.roma2.infn.it/index.php?option=com_mjfrontpage&Itemid=159
【11】AMS https://ams.jsc.nasa.gov/index.html
【12】DAMPE http://dampe.ustc.edu.cn/index.html
【13】LHC https://home.cern/topics/large-hadron-collider
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