暗物質藏在哪?物理學家准備撒壹張更大的網
深埋在這些岩石屏障下面，裝滿液態氙的巨型探測器試圖首次直接探測到暗物質——那種人類尋找已久的隱形物質，它的引力塑造了我們的宇宙。
研究者希望有壹天，壹顆被稱為“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）的暗物質粒子會撞上壹個氙原子，產生壹束閃光和壹股電荷。這些實驗運行了好幾年，最近開始捕捉到壹種稀有的信號，壹種像幽靈壹樣穿過普通物質、偶爾才撞上探測器的粒子。遺憾的是，這個信號不是暗物質產生的。探測器捕捉到的是壹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出的超輕亞原子粒子。
在預想的位置找不到暗物質，促使物理學家提出了大量新的搜尋方案：量子傳感器、液態氦探測器、在木星大氣層中搜索，等等。
物理學家幾拾年前就知道這個中微子背景噪聲的存在，只是寄希望於在中微子成為幹擾之前先找到 WIMP 暗物質。然而，如今的希望越來越渺茫了。當今的壹些 WIMP 探測器實在太大、太靈敏了，它們正在進入所謂的“中微子迷霧”中——中微子信號很可能淹沒真正要找的目標。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地球。這意味著下壹個用這種傳統方法搜尋 WIMP 暗物質的實驗，可能就是最後壹個。
但撞上中微子迷霧並不意味著暗物質搜尋的終結，研究者只需要換壹個方向。“我們沒有看到 WIMP 暗物質。”加州理工學院理論粒子物理學家凱瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）說。科學家也沒有在橫跨法國和瑞士邊境的強大質子對撞設施大型強子對撞機（LHC）中發現新粒子。“所以人們自然會把視野放寬。”祖雷克說。視野壹放寬，等著被檢驗的候選者還有很多。
換句話說，這場搜尋正在從壹個窄小的探測變成壹場全面鋪開的行動，這是壹個很大的轉變。今天的粒子物理學家對暗物質身份的把握，反而不如他們剛開始找的時候。他們會坦率地承認：連最基本的問題都不能想當然——比如暗物質的組成成分比地球重還是比無線電波輕，暗物質是壹種粒子還是拾幾種。
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，任何壹個小實驗找到它的概率都非常非常小。”加州大學聖巴巴拉分校暗物質實驗物理學家休·利平科特（Hugh Lippincott）說。
但在預想位置找不到暗物質，也催生了大量新搜尋方案：量子傳感器、液態氦探測器、在木星大氣層中搜索，等等。“現在大家非常興奮。而且終於有了合適的技術。”華盛頓大學物理學家格雷·裡布卡（Gray Rybka）說。他聯合領導著壹項搜尋軸子（壹種超輕暗物質候選粒子）的實驗。
但可以找的地方這麼多，物理學家該從哪裡重新開始？
天文學上的無知
先從宇宙的誕生說起。暗物質從壹開始就跟我們在壹起，那些早期歲月有很多東西可以學。宇宙早年發出的第壹縷光充滿了由底層物質分布不均勻造成的波動，讀這些宇宙“殘渣”，研究者能看出宇宙中只有 17% 的物質是由質子和中子這樣的普通粒子組成的，剩下 83% 是暗物質。暗物質除了引力之外，跟光和普通物質幾乎沒有任何相互作用。
雖然看不見暗物質，但它的引力留下了大量線索。我們知道銀河系周圍包裹著壹團暗物質，因為太陽系繞銀河中心轉的速度太快了，光靠普通物質的引力根本拽不住。沒有暗物質在旁邊拉著，我們早就被甩進星系間的虛空了。我們還能看到暗物質的質量會彎曲經過它的光線，就像透鏡壹樣。把視野拉到最大，超星系團在太空中的分布就像蛛網上的露珠——這種結構離了暗物質，任何宇宙學理論都解釋不了。
但所有天文學和宇宙學的證據對“暗物質到底是什麼做的”幾乎壹無所知。“它告訴不了你單個組成成分是什麼，只能告訴你壹大堆放在壹起的總效果。”利平科特說。他領導著 LZ 實驗，壹台目前在南達科他州前霍姆斯塔克礦井裡運行的 WIMP 暗物質探測器。
WIMP 這個概念是 1980 年代提出來的。當時理論家們在想怎麼擴展標准模型——粒子物理學的總框架，描述了宇宙中所有基本粒子和它們之間的相互作用。標准模型很強大，但有缺口，最明顯的就是沒有包含引力，所以需要補充。當時最流行的補充方案叫超對稱（簡稱 SUSY），核心思路是：宇宙中每壹種已知粒子都應該有壹個尚未被發現的“超伙伴”。要解釋為什麼超伙伴至今沒被探測到，它們就必須質量很大（大到現有對撞機夠不著）、而且跟普通物質的相互作用極弱，能像幽靈壹樣穿過物質。換句話說，超伙伴就是 WIMP。物理學家很快意識到 WIMP 同時也是絕佳的暗物質候選粒子：兩個問題，壹個粒子全解決。
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