暗物质终于找到了？科学家们明争暗斗，对暗物质的搜索正急剧扩大

物理学家计划想尽一切办法，检查暗物质是否能接收到不同类型的探测器所产生的刺激信号，例如，推动恒星光，或是使行星核心加热，甚至是检测深入岩层中的岩石来寻找暗物质。

自从20世纪80年代天文学家们达成了这样一个共识：认为宇宙中的大部分质物质是不可见的——'暗物质'必须将星系粘合在一起，并在引力作用下塑造出整个宇宙，从那时起，实验主义科学家们就一直在寻找不发光的粒子。

首先，他们开始寻找一种重而缓慢的暗物质，称之为弱相互作用的大质量粒子（或称WIMP）。WIMP是宇宙缺失物质早期最受欢迎的候选方案，因为它可以解决粒子物理学中另一个不相关的难题。几十年来，物理学家团队建立了越来越大的目标，以巨大的晶体和重达数吨的外来液体的形式，希望能捕捉到WIMP撞击原子时原子的罕见抖动。

但这些探测器却一直保持'沉默'状态，物理学家们也正越来越多地考虑更广泛的可能性。在重的一端，他们认为宇宙中不可见的物质可能会聚集成和恒星一样重的黑洞。在另一个极端，暗物质可能以微粒构成的细雾散开，比电子轻数千万亿倍。

伴随着新的假说，新的探测方法也应运而生。 加州理工学院（California Institute of Technology）的理论物理学家凯瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）认为，如果目前的WIMP实验看不到任何东西，'那么我认为，相当大的一部分领域应该转向这些新型实验。'

事实正是如此，该项工作已经开始了。以下是笔者总结的关于寻找暗物质的众多新领域中的一部分（目的是让读者大致了解目前的研究进展，如有疏漏请多多指正！——GolevkaTech）。

在电子和质子之间

弱相互作用大质量粒子（WIMP）有足够的重量，足以偶尔能覆盖整个原子。但为了防止暗物质过轻，一些科学家正在设置更小的'保龄球瓶'。

一场比质子重量更轻的暗物质粒子雨，可以偶尔将电子从它们的主原子中释放出来。第一个专门设计用来探测这种暗物质的实验是——亚电子噪声跳跃CCD实验仪器（Sensei），它使用类似于数码相机的技术来放大材料内部意外释放的电子的信号。

当Sensei原型机只用十分之一克的硅开启时，它并没有发现暗物质。即便如此，该团队在2018年发表的研究结果立即排除了某些模型的可能性。

俄勒冈大学(University of Oregon)物理学家、Sensei协作成员于天田(Tien-Tien Yu)说：'我们刚开机，就有了世界上最好的极限，因为以前没有极限。'

最近，一个2克版本的Sensei结果进一步扩大了这些限制，现在于天田(Tien-Tien Yu)和她的同事们正准备在加拿大的一个地下实验室里部署一个10克的版本，以远离宇宙射线的干扰。其他团队也在设计低成本的替代实验，目标是同样容易实现的目标。

让暗物质变得更轻

如果暗物质变得更轻，或者对电荷视而不见，它可能就无法释放电子。祖雷克（Zurek）已经脑洞大开，想出了一堆天马行空的方法来找到它们，即使这些暗物质也可以通过影响粒子群的行为来几乎隐藏它们的存在。

例如，将一块硅块想象成一个带有代表原子核的弹簧的床垫。祖雷克（Zurek）表示，从床垫上弹起四分之一，虽然每一个弹簧都不会位移太多距离，但是这可能会引发一个涟漪，穿过许多弹簧。她在2017年就曾提出，暗物质相互作用产生的类似干扰可能会产生声波，使系统稍微加热（温度升高）。

'任何东西都可能成为暗物质探测器。只要你有足够的创造力去思考如何使用它。'——丽贝卡·莱恩（Rebecca Leane）

其中一个走这一路线的项目，'魔方'（Tesseract），目前正在加州大学伯克利分校的一个地下室里运行，寻找与Sensei目标类似的暗粒子波纹。不过，未来灵敏度的升级，理论上可以找到轻上千倍的粒子。

但是还存在更多小粒子的可能性。轴子——一个极为轻微的物质，它更像是波而不是粒子——它可以组成暗物质，同时也解开了一个关于强大核力的谜团。最近，轴子暗物质实验（ADMX）开始扫描在强大磁场中衰变为光子对的轴子，并且正在启动一些类似的搜索。

而还有一些实验的目标是更轻的东西。暗物质最轻的可能是电子质量的千分之一万亿分之一--这将导致一种像极低能量波的粒子，其波长相当于一个小星系的大小。较轻（因此更长）的实体过于分散，这将无法解释为什么星系会粘在一起。

'云团'上的线索

当科学家们准备下一代寻找与暗物质直接接触的仪器时，其他人则计划在天空中搜寻间接的路标。

巨大的暗物质云团——被认为是通过引力吸引可见物质而形成星系和恒星的。但是，任何可能存在的较小的暗物质团都不会这样做。这些不起眼中等大小的星团将是完全黑暗的，但它们仍然会在引力作用下弯曲经过的恒星光。一组研究人员正在从正在进行的盖亚调查数据中寻找暗物质团对恒星光的这种'透镜效应'。

来自俄勒冈大学的物理学家安娜·玛丽亚·塔基（Anna Maria Taki）是研究小组的成员，她说：'暗结构正在整个银河系中移动。'。当它们移动时，它们会扭曲光源的位置、以及正常的运动和轨迹。

9月份公布的初步结果并没有发现任何比太阳重1亿倍的类似结构。通过未来更大的数据集，研究人员希望能够辨别出更微弱的'暗物质团块'的可能轮廓。根据这些假设结构的形状和大小，科学家们可以推断出暗物质粒子是否，以及以何种方式相互作用。

其他研究人员已经想出了一种方法来利用快速增长的系外行星目录。'我们有数十亿个这样的物质放置在那里。'丽贝卡·利恩(Rebecca Leane)如此解释道，她是SLAC国家加速器实验室的粒子物理学家，也是9月份一份提案的合著者。

该假设理论认为——当一颗行星扫过银河系时，它可能会在其核心收集暗物质。当这些暗物质粒子与它们的反粒子湮灭时，它们会使行星升温。离银河系中心更近的系外行星会穿过密度更大的暗物质，因此它们发出的红外光应该更热。利恩（Leane）和他的同事计算结果得出，如果即将到来的詹姆斯·韦伯太空（James Webb）望远镜能够测量几千颗系外行星的温度，那么这些数据集就可以在电子到质子质量范围内留下湮灭黑粒子的指纹。

暗物质无处不在

弱作用大质量粒子（WIMPS）可能会频频失败，但并不会被完全淘汰。一个近4吨重的氙气罐将于明年3月在意大利的格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）开始为期两年的运行。韩国的一个团队——Cosine-100协作小组，试图验证另一个名为DAMA的格兰萨索（Gran Sasso）实验的有争议的说法。在那次实验中，一组碘化钠晶体记录下的季节变化，与地球在暗物质'风'经过时呈现不同面貌的情况下所预期的季节变化完全一致。'它们存在一个年度性的调整，这一事实是毋庸置疑的。但是，这本质又究竟是什么呢？到目前为止，我们始终想不通。'得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas, Austin)的天体物理学家凯瑟琳·弗雷斯(Katherine Freese)如此解释道。

弗里斯（Freese）的计算结果——帮助开启了弱作用大质量粒子（WIMPS）实验的时代，同时他也有了追踪粒子的新想法。2018年，她提出弱作用大质量粒子（WIMPS）可能已经钻进了埋在地下几英里的岩石中，而她最近签署了一项提案，打算把它们挖出来。

许多物理学家认为暗物质是无所不在的，因为它是超然的。如果他们能想出足够的方法来感知这种无形的东西——比如检查它是否会触动不同类型的探测器，或者它是否会推动恒星光，使行星核心加热，甚至是在岩石中栖居，那么它那如同'幽灵'般的影响可能会在任何地方出现。

最后，正如同莱恩所说的那样：“任何东西都可能成为暗物质探测器，只要你有足够的创造力来思考如何使用它。”

撰写：GolevkaTech