暗物质探索的大门已被彻底打开

# 暗物质搜寻迎来全新局面 来源：https://www.technologyreview.com/2026/06/18/1138755/search-for-dark-matter-blown-wide-open 经过数十年的搜寻，物理学家仍不知道宇宙中大部分物质由什么构成。现在，他们需要扩大搜索范围。 在亚平宁山脉的一座山体下方、四川锦屏山的深处，以及南达科他州的一座矿井底部，一场宇宙级的狩猎正在进行中。 在这些岩石屏障的深层隔绝之下，装满液态氙的大型探测器正试图首次直接探测到暗物质——这种长期追寻的不可见物质，其引力塑造了我们的宇宙。 希望有朝一日，一种被称为弱相互作用大质量粒子（简称WIMP）的暗物质粒子能与氙原子发生碰撞，产生一阵光与电荷的爆发。经过多年运行，这些实验最近开始捕捉到一种粒子留下的零星闪烁——这种粒子幽灵般穿过普通物质，直到撞入探测器。不幸的是，这一新信号并非来自暗物质。相反，探测器捕捉到的是某种同样虚无但更为平凡的东西：中微子——太阳及其他恒星大量产生的亚原子轻量级粒子。 > **物理学家未能在之前认为的地方发现暗物质，这催生了一大批新搜寻方案的涌现：量子传感器、基于液氦的探测器、在木星大气中搜寻，以及更多。** 几十年来，物理学家一直知道这种中微子背景的存在；他们只是希望先发现WIMP暗物质。如今，这种可能性变得渺茫。如今的一些WIMP探测器规模实在太大、灵敏度实在太高，以至于它们正在进入所谓的“中微子雾”——在此区域，普通粒子很可能淹没来自主要目标的任何信号。这些探测器无法屏蔽中微子，因为它们能轻易穿透地球本身。这意味着，下一个采用这种长期方法搜寻WIMP暗物质的实验可能是最后一个。 然而，撞上中微子雾并不意味着暗物质搜寻的终结。研究人员只需转移搜寻的重点。“我们还没有看到WIMP暗物质，”加州理工学院的理论粒子物理学家凯瑟琳·祖雷克说。她表示，科学家也没有在大型强子对撞机（LHC）——这台横跨法国和瑞士边境的强大质子对撞设施——中发现新粒子。“因此人们自然会拓宽视野，”祖雷克说。随着视野拓宽，还有许多候选者在等待登场。 换句话说，暗物质搜寻正从一次狭隘的探查转变为一种近乎自由混战的局面。这是一个重大转变。如今，粒子物理学家对暗物质身份的把握比刚开始搜寻时还要小。他们会坦然承认，他们连最基本的东西都无法假定——例如，构成暗物质的物质是否比地球还重，还是比无线电波还轻；或者暗物质是单一类型的粒子，还是十几种。 这种不确定性可能令人沮丧，甚至让人感到谦卑。“候选者可能存在的范围如此之大，以至于任何一个小型实验找到它们的几率都非常非常小，”加州大学圣巴巴拉分校的暗物质实验物理学家休·利平科特说。 但物理学家未能在之前认为的地方发现暗物质，也催生了一大批新搜寻方案的涌现：量子传感器、基于液氦的探测器、在木星大气中搜寻，以及更多。“现在人们热情高涨。而且，技术终于到位了，”华盛顿大学的物理学家格雷·雷布卡说，他共同领导一项寻找轴子（一种超轻量暗物质候选者）的实验。 不过，面对如此多的搜寻方向，物理学家从哪里重新开始才合理呢？ ### 天文学的无知 首先：宇宙的诞生。暗物质自宇宙诞生之初就存在，从那些早期纪元中我们可以学到很多。宇宙微波背景——宇宙早期发出的第一缕光——的图谱中充满了由底层物质团块引起的波动。通过解读这些宇宙残迹，研究人员可以判断出，宇宙中只有17%的物质由普通粒子（如质子和中子）构成。剩下的83%是暗物质，除引力外，它与光或普通物质几乎没有相互作用。 从这些引力效应中，我们可以了解暗物质的不少信息。我们知道银河系包含一个暗物质晕环。我们的太阳系绕银河系中心运行的速度太快，仅凭普通物质的引力无法束缚住它：没有暗物质的引力束缚，我们就会被抛向星系际空间。我们还能看到，一个星系的暗物质质量如何弯曲了光线在抵达地球望远镜途中的路径。在最宏大的尺度上，我们可以看到星系超星系团像蛛网上的露珠一样分布。没有暗物质的宇宙学理论无法解释所有这些现象。 但所有天文学和宇宙学证据都无法说明暗物质究竟由什么构成。“它不会告诉你单个组分的信息。它只告诉你它们聚集在一起的效果，”利平科特说，他领导着LZ实验——一个目前正在南达科他州前霍姆斯塔克矿运行的WIMP暗物质探测器。 WIMP的概念出现在20世纪80年代。当时，理论家正在探索标准模型的扩展——标准模型是描述宇宙中所有基本粒子及其相互作用的粒子物理学总体理论。标准模型虽然强大，但并未涵盖一切——特别是它忽略了引力——因此似乎有必要进行一些调整。最流行的想法是一类被称为超对称（简称SUSY）的理论，它要求将宇宙中每种已知粒子类型与一种尚未被发现的“超伴子”配对。为了避过探测，超伴子必须具有很大质量（超出当前对撞机的能力范围）且相互作用微弱，能像幽灵一样穿透物质。也就是说，它们就是WIMP。没过多久，物理学家就意识到WIMP也是暗物质的绝佳候选者：一个问题解决，顺带解决另一个。 超对称的吸引力如此之大，以至于许多粒子物理学家预期在2008年LHC启动时就能看到WIMP。然而，随着LHC数据的传来，最有希望的SUSY理论在很大程度上被排除了。 拼图碎片显示探测器图像中国四川省的PandaX-4T实验于2020年启动，使用充满超高纯度液态氙的探测器搜寻WIMP暗物质。ALAMY, GETTY IMAGES；JANA HEIDENREICH制图 不过，WIMP依然存在，不再受其起源理论的束缚。而最新一代的暗物质探测器让搜寻得以继续。毕竟，利平科特说：“寻找暗物质的动机丝毫没有减弱，对吧？” 现在看来，那些WIMP——如果存在的话——可能超出了我们当前的探测能力。困难有多种多样，但最普遍的是：当你在干草堆中寻找一根针时，即使少数几根其他针状物体也会干扰搜寻。中微子与探测器内氙之间的相互作用，虽然在天文学意义上极为罕见，但恰恰造成了这种干扰。 未来的、终极的WIMP实验将探查WIMP可能藏身的所有其他地方，甚至窥探中微子雾。一项名为XLZD（这个有些笨拙的首字母缩略词反映了现有合作组的合并）的努力将使用60到80公吨的液态氙——这大约是该稀有元素的全球年产量，是当前最大探测器所含氙的至少六倍。但该项目可能已经被叫停，原因与中微子雾无关：在2025年12月的一次粒子物理学会议上，美国能源部宣布美国既不会主办XLZD，也不会支付其可能超过3亿美元的费用份额。“这个项目可能根本不会发生，”利平科特说。“而美国的退出实际上已经扼杀了它。” 与此同时，暗物质的狩猎场正在急剧扩大。2022年，研究人员绘制了一幅巨大的图，展示了暗物质可能由什么构成的各种候选者及其可能质量。选项主要落在两个范围，跨度大约为50个数量级（即10的50次方，或10后面加49个零）。在质量端较重的一头是原初黑洞——假想的、小行星大小的天体，在大爆炸后不久形成，可能至今仍在宇宙中漂浮。 但许多物理学家最感兴趣的是最轻的选项：轴子。 ### 仔细聆听 与WIMP一样，轴子最初是作为标准模型问题的解决方案而出现的。对于轴子来说，它旨在解决关于强核力（将原子核凝聚在一起的基本力）的一个悬而未决的问题。轴子由理论家在20世纪70年代作为数学上的微调提出。通过添加一个质量只有电子的万亿分之一到百万分之一的粒子，他们可以解释为什么强力在物质和反物质上表现得完全相同——尽管它没有理由必须如此——这是一个被称为强CP问题的未解之谜。 轴子应该数量丰富且与普通物质相互作用频率低，这是暗物质的两个必要特征。然而，探测轴子并非易事。这些微妙的粒子只携带一丁点能量——大约相当于无线电波的能量。这使得它们对传统粒子探测器来说不可感知。（例如，LHC的质子碰撞携带的能量大约是其一百万亿倍。） 物理学家已经制定出他们希望产生成果的策略。最有前景的想法之一是使用一个超冷腔室，像收音机一样充满强磁场，并将其调谐到特定波长。如果恰好有一个轴子处于共振状态，即其波长与腔室相同，它就有可能转变成更容易探测的东西：一个光粒子。第一个全尺寸探测器被称为晕镜，于1994年在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建成。如今，世界各地有一小批探测器，它们拥有稀奇古怪的首字母缩略词名称，如MADMAX和ABRACADABRA。 摆弄一个宇宙收音机来聆听一种罕见的不可见粒子是很棘手的，需要将量子传感器冷却到毫开尔文温度——仅比绝对零度高出零点几度。即便如此，也不能完全消除背景噪声。“有一次，我们在实验中探测到了一个‘来自上帝的信息’，”雷布卡苦笑着告诉我。“我们查了FCC的频谱分配。那是一个宗教广播电台。” 到目前为止，粒子物理学家已经扫描了参数空间（一张展示暗物质可能质量和相互作用强度的图表）中大约10%到20%的区域——即可能解决强CP问题的轴子可能存在的区域。但轴子的搜寻可能不止于此。物理学家也在寻找那些不能解决强CP问题但仍可能是暗物质的轴子。“越来越多的人正在专门为暗物质设计模型，即使这与任何其他问题无关，”加州大学圣克鲁兹分校的理论家斯特凡尼娅·戈里说。“当然，”她说，“如果一个问题能同时解决多个问题，那就更好了。” ### 静悄悄的革命 随着暗物质一直未被探测到，物理学家们已经放弃了一些理论上的期望。现代的候选者不再需要WIMP的便利性或轴子的简洁性；它们只需要满足暗物质的要求。 这些朴素候选者的代表是低质量暗物质，之所以这样命名，是因为其质量介于电子和质子之间。如果WIMP是台球，那么低质量暗物质就是乒乓球，石溪大学的理论家鲁文·埃西格解释道。就像乒乓球击中保龄球瓶一样，低质量暗物质没有足够的质量在与原子核碰撞时产生清晰的信号。“人们确实需要想出新的方法来探测这些信号，当然，还需要新技术，”埃西格说。 研究人员设计了新颖的探测器，并将其安装在世界各地的地下实验室——通常就在它们的前辈WIMP探测器旁边。一些新机器寻找粒子与电子碰撞并使后者电离的证据。另一些则窥视晶体，其晶格在受到此类粒子撞击后应该会微妙地抖动。甚至还有原型机在液氦中寻找线索——液氦是一种灵敏的超流体，在被入射的暗物质击中时应该会溅起水花。 拼图碎片，图像为排列成圆形的点这个光敏光电倍增管阵列曾用于XENON1T，意大利INFN格兰萨索国家实验室的暗物质探测器。其继任者XENONnT现已投入运行，拥有超过8公吨的液态氙。XENON合作组，GETTY IMAGES；JANA HEIDENREICH制图 然而，有一个难题：噪声。虽然所有暗物质探测实验都受到外部世界噪声的干扰，但低质量搜寻还受到其探测器介质固有噪声的影响。像晶体内部的原子晶格就像拥挤的地铁车厢，天生容易晃动，使它们的电子乘客摇摆不定。这不是你在寻找暗物质时想要的安静空间。 这种噪声带来了挑战。2020年，在寻找低质量暗物质的一系列探测器中，出现了数量惊人的所谓“多余事件”。一些物理学家想知道，它们会不会是暗物质的信号？不幸的是，导致这些读数的大部分噪声已被识别出来，答案相当明确：“不是”。 背景噪声可能来自任何地方：硅基探测器中的杂质、在地球表面停留时间过长的材料（宇宙射线会使它们产生微弱的放射性）。在一个实验中，一个晶体探测器被夹得太紧；额外的压力引起了振动，看起来像是暗物质的证据。“理解这些背景噪声始终是困难的，”劳伦斯伯克利国家实验室的实验物理学家丹·麦金西说。“但我们的转变如此之快，以至于整个社区突然之间不清楚关键背景噪声是什么了。” 控制这种背景噪声是关键，尤其是在探测低质量暗物质的实验规模越来越大的时候。例如，几年后，麦金西和他的同事计划在法国莫达讷（位于意大利边境，上方覆盖1700米坚硬岩石）安装一些台式实验。其中之一是一个装有大约一汤匙超冷液氦的容器。如果一个低质量暗物质粒子撞击液体，它将产生一次振动，将数千个氦原子向上喷射，而硅探测器将寻找微小的电压变化。其他装置将使用蓝宝石-二氧化硅晶体和砷化镓（一种半导体）进行工作。 这些实验将帮助研究人员确定哪些方法最适合用于更大、更灵敏——也更昂贵——的探测器。“仍然有很多想法，而且仍然没有明确的获胜者，”埃西格说。相反，当今的暗物质研究是一场混战。现在，许多物理学家认为，暗物质可能比他们最初预期的更轻、更稀有，或者更奇特——也许它甚至不是一种单一的粒子，而是一整套的粒子。"所有的大门都是敞开的，"麦金西说。"我们只是需要开始探索。"