编者按：北京时间11月30日，Nature杂志（《自然》）在线发表了暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）取得的最新成果。
“悟空”在轨运行的前530天，共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗25GeV（1GeV=10亿电子伏特）以上的电子宇宙射线。基于这些数据，科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果，并暗示了暗物质粒子存在可能的新证据。
暗物质究竟是何物？为何它能让全世界科学家求而不得？
太空也许是人类探索的终极前沿，但对它的根本运行机制，我们的探索充其量只是刚刚起步。
从开始仰望星空到现在，人类的发现不可胜数，但我们所看到的，只是宇宙中5%的物质；对于其余的95%——即所谓的“暗物质”——我们连怎么观测它都还没能摸着门道。但这并不是说，世界各地的研究人员就没有去尝试。
人类真正展开对暗物质的搜寻，是在17世纪牛顿发现万有引力之后。天文学家们假定，某些天体也许不会发光，但我们能基于引力效应，将其观测出来（比如黑洞）。
近几十年中，有赖于光学与射电天文望远镜技术的进步，暗物质存在的证据不断累加。
截至目前，天文学界认为，宇宙中27%的质量由暗物质构成（如果将暗能量囊括进来，这个比例就达到95%）。对于暗物质的存在，我们已经确信不疑，但对于暗物质的构成，科学界仍无共识。
目前存在两种理论：一种认为，暗物质由大质量弱相互作用粒子（简称WIMP）构成，这种粒子的质量是电子的10万倍（表现出常规粒子的特性）。
另一种理论推测，暗物质由轴子构成，而轴子作为一种基本粒子，其质量是电子的1000亿分之一（表现出波的特性）。据推测，轴子与光子一样表现出波粒二象性，只不过，不同于光子，它不能被直接观测到。
“若暗物质是一种未知粒子，那么，它能与我们互动的形式只有两种。”美国SLAC国家加速器实验室副教授菲利普·舒斯特（Philipp Schuster）博士说。
“一种可能：它能与已知的那些力相互作用（此即WIMP）；另一种可能：它不与标准模型下的各种力发生作用，而是另有一种自成一体的力。”
寻找WIMP
“若属于后一种情况，它就可能通过一种新的矢量粒子，与我们产生互动，原理类似于电磁作用。”他说，“或者通过某种未知的作用和我们互动，但自然界中找不到相关的类比。”
为确定暗物质粒子的构成，研究领域设计了不少实验，大致可归为三类：粒子探测器——假设暗物质由WIMP构成；波探测器——假设暗物质由轴子（即暗光子）构成；以及天文观测，研究暗物质在可观测宇宙中的作用，具体而言，就是引力透镜效应。
如果暗物质由WIMP构成，我们就可以在地下深处设置巨大的液氙池，用于捕捉它们的踪迹。因为顾名思义，WIMP并不与已知物质相互作用，所以探测起来颇为棘手。任何辐射——从宇宙背景辐射到土壤中的微量铀辐射——都可能掺杂进来，混淆视听。
举个例子，意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T实验就深埋于一座大山之下。它用到的每一件设备都采用绝无辐射的不锈钢，纯手工打制而成，普渡大学物理学与天体学副教授拉斐尔·朗（Rafael Lang）介绍说。
它用到了地球上纯度最高的液氙，而且有一吨之多，这种液氙只含有一万亿分之一（1 ppt）的氪杂质——比自然界中的液氙纯净好几个数量级。XENON1T是迄今为止最为灵敏（也可理解为“辐射最低”）的WIMP探测器。
“我们的办法就是拿一个桶，里面装满液氙，然后坐等WIMP粒子击中这桶液氙。”朗解释说。该装置的主探测器为液氙时间投影室（LXeTPC），外层为低温冷却的液氙，然后液氙的外层还有一套大型容器，装满了净化水，起到进一步屏蔽辐射的作用。
其原理是，在如此严密的屏蔽措施之下，能够长驱直入的也只有WIMP了。而且，若有WIMP击中某个氙原子核，碰撞将导致液氙发生振荡，形成一闪而过的可见光，被LXeTPC探测到。
在美国，还有一套名为LUX-ZEPLIN的实验设备，坐落于南达科他州，隶属于美国劳伦斯伯克利国家实验室，目的也是寻找WIMP。“其基本原理是，建一个超豪华版的盖革计数器（用于探测电离辐射的粒子探测器——译注）。”斯坦福大学粒子物理学与天体学教授丹尼尔·阿克布博士（Daniel Akerib）说。
探寻WIMP的地下装置不仅限于XENON1T和LUX-ZEPLIN。作为低温暗物质搜寻计划（CDMS）的一部分，美国能源部正与SLAC合作，共同构建萨德伯里微中子观测站实验室（SNOLAB），利用安大略省的一座镍矿（由淡水河谷公司拥有并运营），在地下两千米处设置暗物质探测器。该实验室将于2018年启动。
但是到目前为止，这些实验都没能明确捕捉到WIMP与氙原子核的相互作用，原因可能是“弱相互作用”这一本质，但也有可能是假设错了。若构成暗物质的并非大质量粒子，而是轴子这样的轻粒子，那么，它们就无法被LUX-ZEPLIN和XENON1T等探测器探测到。
然而，科学界还有暗物质无线电接收器（DMR）、费米实验室（Fermilab）的轴子暗物质实验（ADMX）或阿塔卡马探路者（APEX）等等针对另一套设想的实验，它们或许可以破解这道谜题。
轴子在哪？
“如果构成暗物质的是一种足够轻的无旋粒子，其表现将更贴近电磁波而不是粒子。”舒斯特解释说。这里的“足够轻”意为“电子质量的十亿分之一”。
“这就意味着，要构成这个星系中的暗物质，所需的粒子要多得多。”斯坦福物理学副教授彼得·格雷厄姆（Peter Graham）说。“这也就意味着很难在实验中寻找到单个轴子的单一信号。因为它的能量实在太低。”
就好比一滴水无法凿穿岩壁，但一条河流就可以，研究人员不得不观测轴子的总体效应。就以斯坦福大学的DMR为例，其实验原理与地面无线电接收机很像，只不过规模扩大到了宇宙级。
和粒子探测器相比，这一思路面临的是另一番挑战。举个例子，无线电接收机不用埋藏于地底深处，以避开宇宙射线的干扰。但是，它必须装在一个导电箱内，以屏蔽背景无线电噪音。
此外，粒子探测器开启之后，往往一跑就是一年。而这些无线电每10至15分钟，就可以将各个频率都搜一遍。一旦发现共振频率，研究人员立刻就能算出单个轴子的质量。
构成暗物质的究竟是WIMP还是轴子，这对我们理解宇宙影响重大。“暗物质完全可能是不可见的光子（即轴子），”舒斯特说。“这就意味着，不仅仅存在一种我们未知的力，而且这种力的残余——其载体粒子——在宇宙中的密度足够之大，以至于能产生暗物质。我认为，这会震惊整个学术界。”
若果真如此，一种新的基本力将被发现——其重大程度将丝毫不亚于当初发现电磁作用。
“当然，另一种可能是，暗物质由已知粒子构成，但与一种我们未知的力相互作用。”舒斯特说。“这一可能性类似于WIMP猜想，只不过，与这其作用的力不是已知的，而是未知的。这种不可见的光子充当了介质的作用。”
仰望星空
一些天文学的手段更加直接：在宇宙中搜寻暗物质的证据。暗物质巡天望远镜（DES）自2013年起，就开始在智利的托洛洛山美洲际天文台收集数据，而大型综合巡天望远镜（LSST）也将于2021年启动，科学家们希望，引力透镜效应或许能打开暗物质的直接观测之门——就弱相互作用基本粒子而言，这已经是最“直接”的观测方式了。
这些巡天望远镜观测暗物质的原理，跟我们观测黑洞的原理是一致的：寻找被它们弯曲的光线。“如果你在观测远处物体的时候，中间有一堆质量积聚，那么，物体传来的光线就会绕道而行，使你看到扭曲的图像。”SLAC物理学教授、LSST项目负责人史蒂夫·卡恩（Steve Kahn）说。
DES和LSST都将利用这一效应，在太空中寻找暗物质团。“在天空中，相互靠近的星系之间也会呈现出类似的弯曲……”卡恩说。“所以，这种透镜效应就相当于‘看到’暗物质了。
暗物质是不可见的，但我们可以推测出它的存在，及其引力透镜在星系背景中的分布。”在这种方式下，我们还能计算出那些质量积聚与我们的距离。
然而，截至目前，人类的宇宙探秘之旅才刚刚起航。“如果最后发现，剩下的大部分都是一些简单、孤立的粒子，没有什么相互作用，那将会非常出人意料。”舒斯特总结说。
“我认为，更有可能的情形是，暗物质还涉及到很多力，很多相互作用。而这些都需要我们去寻找。”
翻译：雁行
来源：engadget.com
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