改变世界的“暗物质”

谢来

自去年7月，欧洲大型强子对撞机发现有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子存在的证据之后，该发现被誉为“半个多世纪以来最伟大的物理学成就之一”。10月初，2013年度诺贝尔物理学奖颁给了成功预测希格斯玻色子的两位物理学家，可谓众望所归。继此之后，多数科学家认为“暗物质”粒子可能成为下一个人类科学重大发现。

如果说证明“上帝粒子”的意义在于解释亚原子粒子如何获取质量，继而最终形成我们所认知的世界，对“暗物质”的研究则是探寻我们未知的，从未曾看见的那个神秘世界。

暗物质究竟什么样？

当地时间10月30日，美国桑福德地下研究中心发布了“暗物质”实验——大型地下氙探测器（LUX）实验的第一次数据收集研究结果。虽然在地球深处探寻“暗物质”的努力没有见到任何成效，不过此次实验才开始85天，科学家相信，他们已掌握一种更准确高效的方法，对“暗物质”的探寻将继续下去。

这一漫长的探寻要追溯到80年前。1934年，瑞士天文学家弗里兹·兹威基在研究星系团中星系的轨道速度时，为解决“缺失的物质”问题而提出一个极富想象力的概念——“暗物质”。兹威基经过计算认为，星系的平均质量实际上比根据其亮度计算出的质量大160倍，这意味着绝大多数物质是不可见的。

起初，兹威基的结论没引起重视，直到约40年后人们在研究星系中恒星运动时遇到类似的困难，“暗物质”的说法才逐渐获得认可。通过观测星系中恒星的公转速度，也确认了星系中有大量“暗物质”存在。此外，引力透镜、星系碰撞和宇宙微波背景辐射等的观测都间接证实了“暗物质”的存在。

但“暗物质”究竟是什么“样子”的？科学家们很难描述清楚。形状、颜色、状态，我们对已知物体的这些形容都不适用于它，它不会与光发生反应，看不见，目前无法被探测到，摸不着。不过，“暗物质”与普通物质之间会通过引力作用发生相互作用，就像茫茫宇宙中的一张纵横交错的透明巨网，只能通过引力“感觉”到它。

最有可能的“候选者”

到目前为止，科学家尚无法明确指出“暗物质”的基本构成。但多种推测中，其中一个非常有希望的理论是被称作“大质量弱相互作用粒子”（WIMP）的候选体。在假设的理论中，预言这种粒子应该具有以下两个特点：粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，与普通粒子相比质量较大。

WIMP不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到。而且它们不参与强核力作用，与普通物质发生相互作用的几率非常低。由于它们较大的质量，运动的速度相对缓慢，能够成团聚集。这些特性使得WIMP被认为是最有可能的暗物质“候选者”。

由于这种粒子与普通物质的相互作用非常弱，只能产生较少能量，很难被现有科技水平的观测工具探测到。因此，为寻找到WIMP粒子，物理学家可能通过放置在地下实验室，背景噪声减少到极低的探测器直接探测它们的存在；也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心，太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测；人们同时还希望利用欧洲大型强子对撞机或者未来的国际直线加速器中人工“制造”出这些新粒子来。

地下实验室“广撒网”

据悉，全球各地已建起十几个寻找“暗物质”的实验室，科学家们广撒网，却似大海捞针，“暗物质”依然神龙见首不见尾。包括美国明尼苏达州苏丹煤矿的实验室、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室、英国博尔比盐矿中的精神实验中心以及中国首个极深地下实验室——中国锦屏地下实验室。它于2010年12月在四川雅砻江锦屏水电站投入使用，其垂直岩石覆盖达2400米，是当前世界岩石覆盖最深的实验室。

众多搜索“暗物质”实验室中，位于美国南达科他州的LUX项目是最为先进的一个，它位于被废弃金矿改造的桑福德实验室，研究者要乘坐此前运送矿工的电梯花10分钟深入地下1600米才能抵达实验室。之所以要选择在如此深的地下，是因在此受到的宇宙射线干扰比地球其它地方都要少很多。实验室目前仍在建设中，完全建成后其深度将超过2400米。

LUX实验的原理是将一个重300公斤的液态氙容器作为“搜捕”“暗物质”的工具。液态氙属于冷物质，重量是水的3倍。这个容器已被冷却到零下101摄氏度。一旦当WIMP粒子偶尔撞上氙原子核时会释放特定数量的能量，探测器就能发现其信号。

科学家表示，在LUX实验首度运行的85天内没有找到WIMP粒子撞击的蛛丝马迹。但他们并不灰心，实验才刚刚开始，明年的全年都将继续进行，而且LUX要比其他探测设备至少灵敏两倍。项目参与者之一，布朗大学物理学教授理查德·盖兹克尔表示：“我们在首次运行阶段并没观测到任何证据，并不表明我们不会在第二阶段有所收获。”他相信，LUX实验未来仍然光明，其将跨越更广的范围内进行搜索，并可能会发现较重暗物质的迹象。另一位科学家丹·麦肯锡说，LUX就像一台机器，有能力搜查非常广泛的“暗物质”候选者。

也可能根本走错了方向

除了在地底寻找“暗物质”，科学家们也试图在太空中捕捉它的踪影。

2011年，哈勃望远镜拍摄到一组被称为“暗物质对星系产生影响的最清晰照片”。其拍摄到的一个名MACS1206的巨大星系团就像宇宙中的“透镜”，对其附近恒星的发出光线进行了扭曲。天文学家称，这说明该星系主要由“暗物质”组成，因为如果仅由行星和恒星形成的如此规模的星系团是无法产生这种现象的。

将于2020年发射升空的欧几里得空间望远镜则将放眼更遥远的星空，花费6年时间对覆盖全天1/3天区面积中超过20亿个星系的形状和位置进行精密测量，绘制更完整的宇宙的演变和它的结构图，寻求“暗物质”在宇宙中存在并施加巨大影响的证据。不过望远镜看到的只能算是“疑似”暗物质的影响，证明其存在仍需其基本组成的确凿证据。2011年被送往国际空间站的“阿尔法磁谱仪2”正是肩负着这个任务。这一项目由美国麻省理工学院华裔诺贝尔奖获得者丁肇中负责，包括中国科学家在内的全球600多名科研人员参与了这一项目。“阿尔法磁谱仪2”无法对“暗物质”直接定位，但它具有在宇宙中找到“暗物质”粒子相撞后所产生的残碎物的本领。它可以直接探测到通过其中的单个粒子，并测量粒子的速度和轨迹。

今年4月3日，丁肇中向全世界第一次公布了“阿尔法磁谱仪2”的实验数据结果——在太空实际运转中探测到40万个正电子。比例上升是平衡的，没有出现峰值。正电子来源没有特定方向。“这些都支持正电子来源于暗物质，可是没有完全的证据。”

丁肇中认为需要更多试验数据进行研究。科学家们承认，尽管迄今为止的实验都未获得确凿证据，可能是因设备敏感度不够，但也可能根本走错了方向。毕竟是在找一样完全超出现有认知范畴的东西。但科学家们确信，不管以何种形式，“暗物质”确实存在，它对整个宇宙至关重要，即便看不见，证明其存在或将改变物理学的基本定律。正如纽约大学韦纳教授说：“不弄明白暗物质，我们就错失了宇宙的绝大部分。”