暗物質終於找到了？科學家們明爭暗鬥，對暗物質的搜索正急劇擴大

物理學家計劃想盡一切辦法，檢查暗物質是否能接收到不同類型的探測器所產生的刺激信號，例如，推動恆星光，或是使行星核心加熱，甚至是檢測深入岩層中的岩石來尋找暗物質。

自從20世紀80年代天文學家們達成了這樣一個共識：認為宇宙中的大部分質物質是不可見的——\"暗物質\"必須將星系粘合在一起，並在引力作用下塑造出整個宇宙，從那時起，實驗主義科學家們就一直在尋找不發光的粒子。

首先，他們開始尋找一種重而緩慢的暗物質，稱之為弱相互作用的大質量粒子（或稱WIMP）。WIMP是宇宙缺失物質早期最受歡迎的候選方案，因為它可以解決粒子物理學中另一個不相關的難題。幾十年來，物理學家團隊建立了越來越大的目標，以巨大的晶體和重達數噸的外來液體的形式，希望能捕捉到WIMP撞擊原子時原子的罕見抖動。

但這些探測器卻一直保持\"沉默\"狀態，物理學家們也正越來越多地考慮更廣泛的可能性。在重的一端，他們認為宇宙中不可見的物質可能會聚集成和恆星一樣重的黑洞。在另一個極端，暗物質可能以微粒構成的細霧散開，比電子輕數千萬億倍。

伴隨着新的假説，新的探測方法也應運而生。加州理工學院（California Institute of Technology）的理論物理學家凱瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）認為，如果目前的WIMP實驗看不到任何東西，\"那麼我認為，相當大的一部分領域應該轉向這些新型實驗。\"

事實正是如此，該項工作已經開始了。以下是筆者總結的關於尋找暗物質的眾多新領域中的一部分（目的是讓讀者大致瞭解目前的研究進展，如有疏漏請多多指正！——GolevkaTech）。

在電子和質子之間

弱相互作用大質量粒子（WIMP）有足夠的重量，足以偶爾能覆蓋整個原子。但為了防止暗物質過輕，一些科學家正在設置更小的\"保齡球瓶\"。

一場比質子重量更輕的暗物質粒子雨，可以偶爾將電子從它們的主原子中釋放出來。第一個專門設計用來探測這種暗物質的實驗是——亞電子噪聲跳躍CCD實驗儀器（Sensei），它使用類似於數碼相機的技術來放大材料內部意外釋放的電子的信號。

當Sensei原型機只用十分之一克的硅開啓時，它並沒有發現暗物質。即便如此，該團隊在2018年發表的研究結果立即排除了某些模型的可能性。

俄勒岡大學(University of Oregon)物理學家、Sensei協作成員於天田(Tien-Tien Yu)説：\"我們剛開機，就有了世界上最好的極限，因為以前沒有極限。\"

最近，一個2克版本的Sensei結果進一步擴大了這些限制，現在於天田(Tien-Tien Yu)和她的同事們正準備在加拿大的一個地下實驗室裏部署一個10克的版本，以遠離宇宙射線的干擾。其他團隊也在設計低成本的替代實驗，目標是同樣容易實現的目標。

讓暗物質變得更輕

如果暗物質變得更輕，或者對電荷視而不見，它可能就無法釋放電子。祖雷克（Zurek）已經腦洞大開，想出了一堆天馬行空的方法來找到它們，即使這些暗物質也可以通過影響粒子羣的行為來幾乎隱藏它們的存在。

例如，將一塊硅塊想象成一個帶有代表原子核的彈簧的牀墊。祖雷克（Zurek）表示，從牀墊上彈起四分之一，雖然每一個彈簧都不會位移太多距離，但是這可能會引發一個漣漪，穿過許多彈簧。她在2017年就曾提出，暗物質相互作用產生的類似干擾可能會產生聲波，使系統稍微加熱（温度升高）。

\"任何東西都可能成為暗物質探測器。只要你有足夠的創造力去思考如何使用它。\"——麗貝卡·萊恩（Rebecca Leane）

其中一個走這一路線的項目，\"魔方\"（Tesseract），目前正在加州大學伯克利分校的一個地下室裏運行，尋找與Sensei目標類似的暗粒子波紋。不過，未來靈敏度的升級，理論上可以找到輕上千倍的粒子。

但是還存在更多小粒子的可能性。軸子——一個極為輕微的物質，它更像是波而不是粒子——它可以組成暗物質，同時也解開了一個關於強大核力的謎團。最近，軸子暗物質實驗（ADMX）開始掃描在強大磁場中衰變為光子對的軸子，並且正在啓動一些類似的搜索。

而還有一些實驗的目標是更輕的東西。暗物質最輕的可能是電子質量的千分之一萬億分之一--這將導致一種像極低能量波的粒子，其波長相當於一個小星系的大小。較輕（因此更長）的實體過於分散，這將無法解釋為什麼星系會粘在一起

\"雲團\"上的線索

當科學家們準備下一代尋找與暗物質直接接觸的儀器時，其他人則計劃在天空中搜尋間接的路標。

巨大的暗物質雲團——被認為是通過引力吸引可見物質而形成星系和恆星的。但是，任何可能存在的較小的暗物質團都不會這樣做。這些不起眼中等大小的星團將是完全黑暗的，但它們仍然會在引力作用下彎曲經過的恆星光。一組研究人員正在從正在進行的蓋亞調查數據中尋找暗物質團對恆星光的這種\"透鏡效應\"。

來自俄勒岡大學的物理學家安娜·瑪麗亞·塔基（Anna Maria Taki）是研究小組的成員，她説：\"暗結構正在整個銀河系中移動。\"。當它們移動時，它們會扭曲光源的位置、以及正常的運動和軌跡。

9月份公佈的初步結果並沒有發現任何比太陽重1億倍的類似結構。通過未來更大的數據集，研究人員希望能夠辨別出更微弱的\"暗物質團塊\"的可能輪廓。根據這些假設結構的形狀和大小，科學家們可以推斷出暗物質粒子是否，以及以何種方式相互作用。

其他研究人員已經想出了一種方法來利用快速增長的系外行星目錄。\"我們有數十億個這樣的物質放置在那裏。\"麗貝卡·利恩(Rebecca Leane)如此解釋道，她是SLAC國家加速器實驗室的粒子物理學家，也是9月份一份提案的合著者。

該假設理論認為——當一顆行星掃過銀河系時，它可能會在其核心收集暗物質。當這些暗物質粒子與它們的反粒子湮滅時，它們會使行星升温。離銀河系中心更近的系外行星會穿過密度更大的暗物質，因此它們發出的紅外光應該更熱。利恩（Leane）和他的同事計算結果得出，如果即將到來的詹姆斯·韋伯太空（James Webb）望遠鏡能夠測量幾千顆系外行星的温度，那麼這些數據集就可以在電子到質子質量範圍內留下湮滅黑粒子的指紋

暗物質無處不在

弱作用大質量粒子（WIMPS）可能會頻頻失敗，但並不會被完全淘汰。一個近4噸重的氙氣罐將於明年3月在意大利的格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）開始為期兩年的運行。韓國的一個團隊——Cosine-100協作小組，試圖驗證另一個名為DAMA的格蘭薩索（Gran Sasso）實驗的有爭議的説法。在那次實驗中，一組碘化鈉晶體記錄下的季節變化，與地球在暗物質\"風\"經過時呈現不同面貌的情況下所預期的季節變化完全一致。\"它們存在一個年度性的調整，這一事實是毋庸置疑的。但是，這本質又究竟是什麼呢？到目前為止，我們始終想不通。\"得克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas, Austin)的天體物理學家凱瑟琳·弗雷斯(Katherine Freese)如此解釋道。

弗里斯（Freese）的計算結果——幫助開啓了弱作用大質量粒子（WIMPS）實驗的時代，同時他也有了追蹤粒子的新想法。2018年，她提出弱作用大質量粒子（WIMPS）可能已經鑽進了埋在地下幾英里的岩石中，而她最近簽署了一項提案，打算把它們挖出來。

許多物理學家認為暗物質是無所不在的，因為它是超然的。如果他們能想出足夠的方法來感知這種無形的東西——比如檢查它是否會觸動不同類型的探測器，或者它是否會輕推恆星光，使行星核心加熱，甚至是在岩石中棲居，那麼它那如同\"幽靈\"般的影響可能會在任何地方出現。

最後，正如同萊恩所説的那樣：“任何東西都可能成為暗物質探測器，只要你有足夠的創造力來思考如何使用它。”

撰寫：GolevkaTech

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