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寻找暗物质,我们最后的希望在哪里?

时间: 2017年11月07日 | 作者: Joseph Silk | 来源: Nautilus
对于难以捕捉的暗物质,我们已经智穷计尽了吗?

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大部分天文学家相信,暗物质如同恒星、行星一般,是切实存在的。我们能够按图索骥地将它描绘出来;我们认为星系内大部分都是暗物质,中间零星点缀着“亮斑”(可见物质);我们利用暗物质来理解宇宙的结构及其演化。但是近十年以来,各种设计精巧的实验都没能直接探测到暗物质:我们看到它留下的蛛丝马迹,却并不知道暗物质究竟是什么。

 

科学家在很早以前就排除了暗物质是某种普通物质或基本粒子的可能性。相关的理论倾向于认为,暗物质是一种与普通物质仅发生微弱相互作用的新型粒子。大量暗物质粒子整日整夜地穿过我们的星球,它们理应留下些痕迹。物理学家在实验室中培养晶体,将它们填满低温桶,并运往地底深处以屏蔽普通粒子的干扰,然后等待泄露未知粒子“行踪”的微小热脉冲和闪光的出现。不过迄今为止,结果不容乐观:南达科他州莱德市(Lead, South Dakota)的一个废弃金矿内,地下一英里(约 1609 米)深处进行的大型地下氙探测器实验(LUX experiment)一无所获;中国四川省锦屏山地下 2400 米岩层内的隧道中,粒子和天体物理氙探测器(PandaX)实验一无所获;法国阿尔卑斯大区弗雷瑞斯(Fréjus)附近的隧道中,地下 1.7 千米的 EDELWEISS 实验亦是一无所获。零收获的暗物质探测实验名单还在继续增加。

 

这些“零结果”将暗物质可能潜藏的参数空间限制得越来越窄。面对数据的匮乏,理论物理学家猜想,暗物质是性质更为奇特的粒子,其中大部分更难被探测到。既然暗物质探测如此困难,物理学家可以将希望转而寄托于通过粒子加速器“撞”出暗物质粒子。这样,我们就能通过检测粒子对撞中的能量消失,来推断出它们的存在。但是大型强子对撞机(LHC)已经精确地尝试过了这种方式,但目前为止依然毫无收获。一些理论家怀疑暗物质根本不存在,爱因斯坦的广义相对论将我们引入了歧途。这个理论告诉我们,星系如果不是被一些看不见的物质牢牢束缚在一起的话,早就四处飞散了,但是也可能这个理论本身有问题。不过迄今为止,广义相对论经受住了其它所有观测的检验,而与它竞争的其他理论则存在各种致命缺陷。

 

85%的物质是我们现在所未知的。最令人担心的是,情况会永远如此。

 

仅存的希望

 

虽然大部分暗物质探测实验一无所获,但仍然有两个实验坚称,他们找到了暗物质的蛛丝马迹。由于种种原因,这两个实验的结果备受争议。它们可能是错的,但也值得深究。即便确实一无所获,这也还是说明了,在茫茫宇宙中寻找暗物质困难重重。

 

在意大利北部山下一条 1.4 千米长的隧道中,格兰萨索国家实验室(Gran SassoLaboratory)的 DAMA/LIBRA 粒子探测器便在寻找暗物质的踪影:暗物质粒子散射碘化钠晶体内的原子核而发出的闪光。这台探测器已经收集了超过 13 年的数据,并且“看见”过一个非常特别的现象:粒子检测率随季节更迭而起伏,在六月份达到最高,在十二月份达到最低。

 

这正是我们所期待的。理论上预言,暗物质会在银河系周围形成一片巨大的“云团”。整个太阳系都在这片云团中穿行,但是单个行星的速度不同,这是因为它们围绕太阳的轨道运动不同。地球相对“云团”的速度在六月达到最高,而在十二月达到最低。这能够确定暗物质粒子穿过地球探测器的速率。

 

然而,情况并不像我们想象中那样乐观。不可否认,DAMA 探测到了非常显著的季节性变化。但是许多其他因素也会产生这种特点,比如地下水流(影响辐射的背景水平),还有大气中其他粒子的数量,比如 μ 子。根据最新统计,其他一些实验声称他们的结果和 DAMA 不符。但是确认 DAMA 结果可靠性的唯一方法就是用相同类型的探测器在不同的地点重复同样的实验。目前就有几个这样的实验正在筹备和进行中。其中一个将在南极开展,那里的季节变化与意大利大不相同。

 

另一条线索来自间接实验。这些实验的目标不是暗物质粒子本身,而是它们碰撞、湮灭后产生的二级粒子。2008 年,意大利和俄罗斯联合制造的 PAMELA 卫星(Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)意外地观察到大量来自宇宙深处的正电子(正电子是电子的反物质)。最近,国际空间站上的阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer)也确认了这项观察结果。与此同时,费米卫星(Fermi satellite)报告观测到自银河系中心发出、延伸至约 20 度(角距离)的伽玛射线束。它的形状正好符合我们对暗物质的预期:关于银河系中心呈球面对称,越靠近中心,强度越大。

 

这完美得让人不敢相信!但美中不足的是,观测到的正电子和伽马射线也可能都源自快速旋转的中子星——毫秒脉冲星。理论研究对于源自暗物质候选粒子的正电子特征作出了预言,但观测到的正电子特征与预言并不相符,因此我们需要检查它们是否来自中子星所在的方向。而伽马射线的波动则表明它们可能来自银河系中心周围的许多微弱、未知的脉冲星源。此外,如果这些伽马射线来自暗物质,天文学家应该能够检测到附近的小型矮星系发出的类似信号。这些矮星系拥有的暗物质可比我们自己的银河系多多了。遗憾的是,我们并没有探测到这样的信号。

 

诸多可能

 

大部分暗物质实验致力于寻找最简单的候选粒子——大质量弱相互作用粒子(WIMPs),它是粒子物理标准模型的自然衍生品。这里的“弱”有双层含义:粒子之间通过弱相互作用进行“互动”;这种相互作用非常微弱。研究人员不需要知道细节,光凭“弱”这个信息能就计算出宇宙中需要存在多少这样的粒子。在大爆炸的原初汤中,粒子们“自生自灭”。随着宇宙的膨胀,温度逐渐下降,各种类型的粒子一个接一个地形成,形成时间取决于各自的质量。不过这时,部分粒子仍会通过相互作用被“消灭”,被灭的比例取决于相互作用的强度。直到宇宙膨胀到足够大,粒子的分布足够稀疏以致相互之间无法发生碰撞,粒子的数量才稳定下来。

 

给定 WIMP 的相互作用强度,你就能算出它们的数量,然后你会发现,早期宇宙这口大锅应该能制造出相当数量的暗物质。计算还能给出 WIMP 的质量,应该有数百个质子那么重。总而言之,这种暗物质候选粒子能在标准模型中自然出现,并且性质优异,所以物理学家称之为“WIMP 奇迹”。

 

然而,理想很丰满,现实很骨感。随着越来越多的 WIMP 探测实验报告“零收获”,物理学家变得越来越绝望。他们开始考虑备胎选项。

 

暗物质粒子也许拥有极大的质量,从而无法被现有的探测器捕获。但这又带来一个新问题:粒子的质量越大,它们的数量就越少(因为宇宙学观测仅对暗物质的总质量做出限制),可能少到被我们的探测器所忽略。若真如此,物理学家就需要找到与以往完全不同的搜寻方案,比如考虑这些粒子对古老的中子星或其他天体的影响。

 

另一种可能性则是:暗物质粒子太轻,以致于无法在探测器上留下显著的印记。在这种情况下,物理学家可以使用天然探测器——太阳来寻找这些粒子。太阳在穿过星系的暗物质“云”时会撞上大片粒子。这些粒子与太阳中的质子发生散射,从而对太阳的温度分布产生影响。这会引发气体漩涡的湍流行为:在太阳外层或上升,或下降,或旋转。我们能够通过日震科学来看到这些现象。(日震学研究太阳内部传播的扰动及其对太阳表面的影响,就像我们通过地震学来研究地震现象一样。)研究表明一些日震学异常现象难以用标准的太阳模型进行解释。

 

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太阳的“黑暗之心”:太阳能够作为天然的暗物质探测器。和暗物质的相互作用可能会改变太阳的内部结构,而这种改变能通过监测太阳表面的振荡而被观测到。图中,远离我们的区域用红色标示,而接近我们的区域则用蓝色标示。图片来源:AURA/NSO/National Science Foundation

 

如果暗物质粒子聚集在太阳内部,它们就有可能在太阳核心湮灭,而这个过程会产生高能中微子。位于日本中部的超级神冈探测器(Super-Kamiokande)和南极的冰立方中微子天文台(IceCube observatory)就致力于探测这样的中微子。但迄今为止尚未发现相关事例。

 

最极端的候选者是轴子,它的质量仅仅是质子质量的万亿分之一,甚至更小。这种粒子虽然现在还仅存于理论当中,但也并非不可见:它能够发生电磁相互作用,并在强磁场腔中制造出微波光子。研究人员从上世纪八十年代起,就着手进行轴子探测实验,但和 WIMP 探测器一样,结果不容乐观。

 

我们还有些更加大胆的想法——

 

也许,暗粒子根本不是粒子,而是电磁场的某位“远房表亲”——“非粒子”,它的能量并非以离散波包的形式存在。非粒子能在对撞数据中留下间接的痕迹。

 

也许,暗物质的“身份”并非单一。普通物质便由许多类型的粒子构成,暗物质同样可能拥有多重身份。但这样一来,每种粒子的特征都会被稀释,使得研究更加困难。

 

也许,暗物质不参与除引力以外的任何相互作用,这会使得实验物理学家的研究生涯成为一场噩梦。

 

这是最好的时代,也是最坏的时代

 

从某种意义上,我们正处于科学发展的黄金时代,旧观点被宣告无效,新观点亟待出观——也许是新粒子,也许是新的引力理论。

 

恼人的一点在于,自然把新物理藏在一个我们找不到的地方。虽然我们在寻找 WIMP 的大业中尚未智穷计尽,但实验发展的空间是有限的。探测器在对暗物质越来越敏感的同时,也对其他粒子更加敏感,所以提高精确度未必能将两者区分开来。按照现在前进的步伐,在十年之内,探测器就将难以区分太阳发出的中微子和宇宙射线撞击地球大气层发出的中微子。

 

不过那时,我们仍然能够诉诸间接的探测方法。其中最有希望的一个就是切伦科夫望远镜阵列(Cherenkov Telescope Array)。这个阵列由分布在智利和拉帕尔马岛的 100 多架望远镜组成,它们的目标之一就是寻找星系中暗物质粒子湮灭而产生的伽马射线。但是这项研究终将碰上一大难题:成本。暗物质探测器目前是大型物理实验中最经济的一类。但是如果我们要持续扩大它们的规模,提高灵敏度和复杂度,那么它们也将加入LHC(成本将近 70 亿美元)、韦伯太空望远镜(成本将近 80 亿美元)等烧钱猛兽的队伍。况且,暗物质探测实验能否成功还不好说,这就很难打动政客。

 

发现暗物质粒子的最强工具也许会是新的粒子对撞机。物理学家计划在大约三十年后建造一个能量七倍于 LHC 的对撞机。中国和欧洲都在研究建造方案。参考 LHC 的造价进行粗略估计,新对撞机将耗费 250 亿美元(按现在的美元市值来算)。考虑到这笔花销由多个国家共同承担,并且对撞机的建造时间长达数十年,这也许是可以被接受的。但这可能已经达到了极限。如果那时我们依旧一无所获,那么即使物理学家拥有无尽的资源、建造更大的探测器,也于事无补。因为新对撞机都无法看到的未知粒子必然拥有超大的质量,以至于大爆炸产生的粒子数量不足以解释暗物质在宇宙中所占的比重。自然,它们也不可能是暗物质粒子。

 

尽管我们付出种种艰辛的努力,但结局未必美好——我们可能不会发现任何暗物质粒子的信号。也许,暗物质根本就不存在。我们试图修正爱因斯坦的引力理论——广义相对论来抛弃暗物质,但迄今为止,这个理论完美地通过了各种实验检验。自 2016 年起,LIGO 探测到的引力波信号又一次支持了广义相对论。所以,它的另一个预言——暗物质的存在也难以被推翻。

 

不过往好处想,暗物质探测的困难也表明,自然界仍有大量谜团等待我们去发现和探索。我们现在仍在寻找暗物质粒子。迷失在黑暗中的我们,除了前进别无他法。

 

作者Joseph Silk 是牛津大学的宇宙学家,同时也在巴黎天体物理研究所、约翰霍普金斯大学任职。他是研究宇宙微波背景辐射和宇宙结构形成的先驱。

 

翻译 阿金

编辑 金庄维

 

原文链接:

http://nautil.us/issue/51/limits/will-we-ever-know-what-dark-matter-is


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