30年未果 科学家质疑 暗物质探寻越走越黑

照片来源:马特·卡普斯特

自从天文学家发现宇宙中的大多数物质都是不可见的，他们就试图找出这些模糊的东西可能是什么。然而，经过30年越来越复杂的搜索，没有发现暗物质的迹象，这导致科学家对这种难以捉摸的物质的一些基本观点提出质疑。

去年10月，为暗物质主要候选成分粒子(理论粒子WIMP)寻找证据的最敏感实验发布了一份报告，称没有结果，这再次让科学家们失望。现在，一些研究人员正在重新检查以前的候选粒子不太可能存在。物理学家仍然无法证明暗物质的存在，但它存在的迹象是实质性的。恒星和星系的运动似乎只有当宇宙中的引力物质比可见的原子和分子物质多时才能得到解释。通过重塑爱因斯坦在广义相对论中的引力定律来纠正这一矛盾的努力一再失败。

弱相互作用被用来解释暗物质，部分原因是它们可以与物理学中其他流行的观点相匹配，比如超对称性——宇宙中所有已知的粒子都有尚未被发现的伴粒子。科学家们认为，这些超对称粒子中最轻的粒子——弱相互作用粒子(WIMP)，可以构成宇宙中的暗物质。自20世纪80年代以来，检测软核的努力一直在继续，但并不成功。最近，在南达科他州的大型地下氙项目是迄今为止最敏感的相关搜索。据报道，三个月的数据显示没有暗物质的迹象。

LUX的联合发言人、布朗大学的理查德·盖茨凯尔估计，超过一半的WIMP模型被证明是错误的。在接下来的5年或10年里，WIMP搜索应该基本完成，最终它将会以没有粒子被发现或者它们的存在基本被排除而告终。但是如果暗物质不是由软物质构成的，那会是什么呢？

被称为轴子的理论粒子是另一个经常被提及的候选粒子。轴突在质量上比软物质小得多，并且可能与普通物质的相互作用较少。它们更难找到。这部分解释了为什么只有一个主要实验在寻找轴子，而十几个项目在寻找WIMP。然而，轴子也有更坚实的理论基础，可以很容易地解释宇宙中大量的暗物质。

"我不明白为什么沙齐被列为第二名."轴突暗物质实验(ADMX)的负责人、华盛顿大学的成员莱斯利·罗森伯格说，“我想改变这个顺序，但这是我的观点。”ADMX始于1995年，但至今没有发现轴子暗物质的迹象。罗森伯格预测，在3年内，该项目将发现轴子或证明轴子的存在。

随着对软轴和车轴的探索接近尾声，也没有成功的迹象，越来越多的理论家正在考虑替代方案。罗森伯格说:“当人们对弱相互作用感到紧张时，其他候选粒子就会出现。”有些人认为宇宙中大量的小黑洞可以解释暗物质。天文目标搜索没有发现这种黑洞的迹象，这种黑洞会使背景物体的光线弯曲，产生一种称为引力透镜的效应。

科学家们越来越感兴趣的另一种可能性是夸克物质——由夸克组成的物质的极密相。夸克物质可能产生于一颗非常大的中子星。如果有足够多的夸克物质，一些夸克星座不会发光，但它们可以对普通物质施加重力。

这些只是对暗物质的许多可能解释中的一部分。"我怀疑我们已经考虑了所有的可能性。"哈佛大学的访问物理学家马特·斯特拉斯勒说，“我们可能很幸运”，并很快找到了答案，“或者再过100年或更久。”

也许最可怕的可能性是暗物质由一些不可能发现的东西组成——只能通过重力与普通物质相互作用的粒子。在这种情况下，研究人员将没有希望用探针找到它。“如果我们进入一种模式，最有可能的粒子就无法被探测到。这是最经典的科学挑战:如何验证这样一个理论？”盖茨凯尔问道，“在这一点上，科学家几乎肯定会面临失败——这个理论几乎不可能被检验。”

或许幸运的是，这种粒子似乎不可能建立在理论基础上。“如果有一个粒子只能通过重力相互作用，人们必须问它最初是如何在宇宙中被创造出来的。”斯坦福大学的理论物理学家彼得·格雷厄姆说，“轴突和软物质有非常好的自然机制，也是它们如此丰富的原因。这就是其他型号不受欢迎的原因。”然而，这仍然是一句空话。

尽管物理学家不能直接探测暗物质粒子，但他们仍然坚持希望通过粒子加速器(如欧洲大型强子对撞机(LHC))找到暗物质存在的间接证据。当LHC强烈撞击质子时，它可以产生弱相互作用粒子或其他暗物质候选粒子。另一个希望是，如果暗物质在两个粒子接触时自行湮灭，来自银河系中心的伽马射线等天文信号可能会揭示暗物质粒子的存在。科学家声称已经发现了这样的迹象，但他们还远未确定。

最后，大多数仍在寻找的物理学家说，他们不关心他们的特定暗物质理论是否被证明是正确的，只要他们最终能得到答案。斯坦福大学的布拉斯·卡夫雷拉是低温暗物质搜索项目(CDMS)的负责人，该项目是另一项弱相互作用探测实验，他说:“就像所有的研究一样，从来没有成功的保证。我们能做的是继续努力回答最重要的科学问题。”最近，越来越多的物理学家面临着失败的可能性。“如果我们找不到暗物质，我会非常失望。”罗森博格说，“这在我们手中，我真的想知道这是什么。”(张冬冬)

中国科学新闻(2014-016第三版国际版)