你如果在数字1和2之间到处找，那你永远都找不到3。
假设你有个想法：我们的物理现实可能与现在概念化的物理现实有所不同。你没准认为存在额外的粒子或相互作用，而这可能会解决如今自然科学面临的一些大难题。那么，你会怎么做呢？你建立一个假设，发展它，然后试着梳理出其中可观察、可测量的结果是什么。
其中一些结果是与模型无关的，这就意味着无论一个特定模型正确与否，显著的特征都会出现。另一些结果则有着强模型相关性，显示出一些在某些模型中出现而在其他模型中没有出现的实验性或观察性特征。当暗物质实验出现空白时，它只测试模型相关的假设，没有测试模型无关的假设。这就是为什么这与暗物质的存在毫无关系。
强子对撞机 图源：zynews
当你使任意两个粒子碰撞在一起时，你可以探测碰撞粒子的内部结构。如果其中一个不是基本粒子，而是复合粒子，则可以揭示它的内部结构。这里设计了一个测量暗物质/核子散射信号的实验。然而，有许多平凡的背景贡献可以给出类似的结果。这种特殊的信号将在锗、液态氙和液态氩探测器中显示出来。(暗物质概述:对撞机，直接和间接探测搜索——奎罗兹，法利纳尔多S. ARXIV:1605.08788)
你不能因为一个团队尝试了不可能的事情，希望着大自然能合作，就对他们生气。一些最著名的发现仅仅是由于偶然，所以如果我们能在低成本的情况下进行测试，同时得到高得离谱的回报，我们就会去尝试。信不信由你，正是这种思维方式推动了对暗物质的直接探索。
图源：ifeng
然而，为了了解我们是如何找到暗物质的，你必须首先了解我们所知道的全部信息。这是模型无关的证据，我们必须引导我们自己走向直接检测的可能性。当然，我们还没有直接发现暗物质与另一个粒子的相互作用，但这没关系。间接证据都表明它一定是真实存在的。
现在标准模型中的粒子和反粒子都已被直接探测到，最后的“抵抗者”希格斯玻色子在本世纪初也由大型强子对撞机发现了。这些粒子都可以在大型强子对撞机的能量下产生，粒子的质量导致了基本常数，这些基本常数对于完全描述粒子是非常必要的。由基于标准模型的量子场论物理学可以很好的描述这些粒子，但它们不能像暗物质那样描述一切。(E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
2012年，在大型强子对撞机27公里长的圆形隧道中，粒子相互碰撞产生了希格斯玻色子
图源：quantamagazine
一切都始于一个想法的萌芽。我们可以从无可争议的基础开始:宇宙由所有的质子、中子和电子组成，这些粒子构成了我们的身体、我们的星球和所有我们熟悉的物质，还有一些光子(光、辐射等)，用于更好的测量。
质子和中子可以被分解成更基本的粒子——夸克和胶子——和其他标准模型粒子一起，构成所有宇宙中已知的物质。关于暗物质的主要观点是，除了这些已知粒子之外，还有其他一些物质对宇宙中的物质总量起着显著作用。这是一个革命性的假设，也可以被视为是一个非同寻常的飞跃。
这个概念可能会让你忍不住问，“我们为什么要想这样的事情?”
这个动力来自于观察宇宙本身。科学教会了我们很多关于遥远宇宙的知识，其中很多都是毫无争议的。例如，我们知道恒星是如何运作的，我们对引力是如何运作的有惊人的理解。如果我们观察星系、星系团直到宇宙中最大的结构……这里有两个可以弄清的问题。
1.这些结构中每一级的质量有多少。我们观察这些物体的运动，我们观察控制绕轨道运行的物体的引力规则：是否有束缚，它如何旋转，结构如何形成，等等…最终我们得到一个可以确定那里物质的多少的数字。
2.包含在这些结构中的恒星有多少质量。我们知道恒星的“规则”——只要我们能测量出这些恒星发出的星光，我们就能知道恒星的质量是多少。
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位于后发星系团中心的两个明亮的大星系NGC 4889和稍小的NGC 4874，每一个的规模都超过100万光年。但在外围的星系旋转的很快，这表明整个星系团中存在着一个巨大的暗物质光环。单凭普通物质的质量不足以解释这种束缚结构。（ADAM BLOCK/莱蒙山天空中心/亚利桑那大学）
这两个数值不匹配，并且与我们评估出的数值之间的差异在量级上的是惊人的：它们差了大约50倍。在宇宙中，除了理所应当构成了恒星的绝大多数的物质之外，肯定还有别的东西。这适用于各个星系内大小不一的恒星，一直到宇宙中最大的星系团、星系，除此之外，整个宇宙网络都是如此。
这个暗示很明显，表明除了恒星之外还有别的东西在运行，但你可能不相信这东西会是新的物质。如果这就是我们只找出了这些，科学家也同样不会相信！幸运的是，有大量的观测数据，而当我们把它们放在一起考虑——只有暗物质假说才能解释这些问题。
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在红圈中显示了大爆炸核聚变预测的氦-4，氘，氦-3和锂-7的丰度。宇宙中有75-76%的氢，24-25%的氦，少量的氘和氦-3，以及微量的锂。在氚和铍衰变之后，这就是我们所剩下的物质，直到恒星形成之前，这些物质都没有改变。宇宙中只有大约六分之一的物质可以以这种通常的物质形式(重子的，或类似原子的)存在。(NASA, WMAP科学团队和GARY STEIGMAN)
在推断宇宙最早期物理定律时，我们发现有一段时间宇宙太热以至于中性原子无法形成，甚至连原子核也无法形成！当它们终于能在不被立刻炸开的情况下形成时，所有最轻的原子核(包括氢和氦的不同同位素)便形成了。
大爆炸后宇宙中第一批元素——由于大爆炸核聚变而形成——告诉了我们宇宙中有多少“正常物质”，并且这个误差非常非常小。尽管存在的物质显然多于恒星周围的物质，但这只是我们通过引力效应所知道的全部物质的六分之一。不仅是恒星，而且一般的普通物质都是不够的。
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宇宙微波背景的波动在20世纪90年代首次被宇宙背景探测器（COBE）精确地测量出来，然后WMAP在21世纪和10年代被普朗克(上图)更精确地测量出来。这幅图像编码了关于早期宇宙的大量信息，包括它的组成、年龄和历史。这些波动在量级上只有几十到几百个微开尔文，但明确地表明正常物质和暗物质以1:5的比例存在。(欧洲航天局和普朗克合作组织)
宙中另一个早期信号为我们提供了暗物质存在的额外证据:当中性原子形成、大爆炸的余辉终于可以畅通无阻地在宇宙中传播时，它非常接近于均匀背景的辐射，只比绝对零度高几度。但是当我们观察~微开尔文刻度和小角度(<1度)刻度的温度时，我们发现它根本就不是均匀的。
图源：ifeng
宇宙微波背景的波动特别有趣。它们告诉我们，宇宙中正常物质(质子+中子+电子)的比例，辐射的比例，以及非正常物质(或者说是暗物质)的比例，以及其他物质。比例又是相同的：暗物质大约占宇宙所有物质的六分之五。
其次，在大尺度上观察重子声振荡的大小，表明宇宙主要是由暗物质组成的，只有一小部分的正常物质造成了上图中的这些“摆动”。(迈克尔·库伦、马克·沃格尔斯伯格和劳尔·安古洛)
最后，在宏大的宇宙网络中有着无可争议的证据。当我们从最大的尺度来看宇宙时，我们知道，在大爆炸的背景下，万有引力是使物质聚集在一起的原因。根据最初密度过高和过低的波动，引力(以及不同类型物质之间的相互作用和辐射)决定了我们将在整个宇宙历史中看到什么。
这很重要，因为我们不仅可以看到正常物质与暗物质在上图中波动的大小上的比率，而且我们可以知道暗物质是冷的，或者在宇宙非常年轻的时候以一定的速度运动。这些信息让我们可以做出意义不凡又精确的理论预测。
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根据模型和模拟，所有星系都应该镶嵌在暗物质晕中，其密度在星系中心达到峰值。在足够长的时间尺度上，也许是10亿年，一个来自暗物质晕边缘的暗物质粒子将形成一个轨道。气体、反馈、恒星形成、超新星和辐射的影响使这个环境变得复杂，使得宇宙暗物质的预测变得极其困难。(NASA, ESA, T. BROWN, J. TUMLINSON (STSCI))
总之，这告诉我们在每个星系和星系团的周围，应该都有一个非常大的暗物质扩散晕。这种暗物质实际上应该不会与正常物质发生碰撞作用；上限表明，暗物质粒子需要数光年才能有50/50的机会相互作用一次。
但是，每一秒都应该有大量的暗物质粒子穿过地球、你还有我，而未被发现。此外，暗物质也不应该像普通物质那样与自身发生碰撞或相互作用。至少可以这样说，这使得直接检测变得困难。但值得庆幸的是，有一些间接的方法可以探测暗物质的存在。首先是研究所谓的引力透镜效应。
当星系团的背景中有明亮、巨大的星系时，它们的光会被拉伸、放大和扭曲，这是由于一种被称为“引力透镜”的广义相对论效应。感谢:DAVIDE DE MARTIN JAMES LONG (ESA / HUBBLE)NASA, ESA, J. LOTZ和HFF团队，STSCI）
引力透镜模拟的黑洞 图源：Wikipedia
通过观察背景光是如何因干扰质量的存在而扭曲的(仅根据广义相对论定律)，我们可以计算出那个物体的质量。又一次，计算结果告诉我们，这一质量肯定是所有类型的正常(基于标准模型的)物质的六倍。
里面一定有暗物质，其数量与其他观测结果一致。但偶尔，宇宙是仁慈的，它会给我们两个星系团或星系团互相碰撞。而当我们研究这些碰撞的星系团时，我们学到一些更深刻的东西。
四个碰撞的星系团，显示出X射线（粉红色）和引力（蓝色）之间的分离，这表明暗物质是存在的。在大规模上，冷暗物质是必要的，并且没有替代品。（X射线：NASA / CXC / UVIC。/ A.MAHDAVI等。光学/镜头：CFHT / UVIC./ A.MAHDAVI ET AL.（顶部左）；X射线：NASA / CXC / UCDAVIS / W.DAWSON ET AL .;光学：NASA / STSCI / UCDAVIS / W.DAWSON ET AL。（右上）; ESA / XMM-NEWTON / F.GASTALDELLO（INAF / IASF，意大利米兰）/ CFHTLS（底部左）; X射线：NASA，ESA，CXC，M.BRADAC（加利福尼亚大学，圣塔芭芭拉大学）和S.Allen（斯坦福大学）（底部右））
暗物质确实会彼此通过，并占据了绝大多数。以气体形式存在的正常物质会产生冲击(上图为x射线/粉色)，而且只占总质量的15%左右。换句话说，大约五分之六的质量是暗物质！通过观察碰撞的星系团，监测可观测物质和总引力质量如何运动，我们可以为暗物质的存在提出天体物理学的经验性证据。就算对万有引力定律不做修改也可以解释为什么：
对于万有引力定律没有任何修改可以解释为什么:
两个星团，在碰撞前，它们各自的质量和气体会在一起，
但碰撞后，它们的质量和气体会分离。
然而，尽管所有这些模型无关的证据，我们仍然希望直接探测暗物质。正是这一步——而且只有这一步——我们没有实现。
图片来源：UZH
与自旋无关的大质量弱相互作用粒子（WIMP）/核子横截面在XENON1T实验中得到了最严格的限制，XENON1T实验相较于之前的所有实验都有改进，甚至包括勒克斯实验。虽然许多人可能会对XENON1T实验没有发现暗物质感到失望，但我们不能忘记XENON1T对其他物理过程敏感。(E. APRILE等，PHYS。启。121, 111302 (2018))
不幸的是，我们不知道标准模型之外还有什么。我们从未发现过任何一个粒子没有标准模型的一部分性质，但我们知道，肯定有比我们目前发现的更多的粒子。就暗物质而言，我们不知道暗物质粒子(或粒子们)的性质应该是什么，应该是什么样子，或者如何找到它。我们甚至不知道它是一个东西，还是由各种不同的粒子组成。
我们所能做的就是在某一横截面上寻找相互作用，但不能再继续了。我们可以找到能量反冲到一定的最小能量，但同样不能再继续了。我们可以寻找光子或中微子的转换，可是所有这些机制都有局限性。在某些情况下，背景效应——自然放射性、宇宙中子、太阳/宇宙中微子等等——使它不可能提取一个低于一定阈值的信号。
其中一项旨在利用暗物质和电磁之间假想相互作用的实验的低温设置，聚焦于一个低质量的候选者:轴子。然而，如果暗物质不具备目前实验所测试的特定特性，那么我们想象中的任何物质都无法直接看到它。(轴子（AXION）暗物质实验(ADMX) / LLNL的FLICKR)
图源：iop.cas ADMX实验的轴子晕望远镜示意图
到目前为止，与暗物质有关的直接探测工作都一无所获。我们观察到的相互作用信号不需要暗物质来解释，也不符合我们宇宙中仅标准模型的粒子。直接探测可能会阻碍或限制特定的暗物质粒子或猜想，但不会影响大量的间接的、天体物理证据，这些证据使得暗物质的存在成为唯一可行的解释。
许多人孜孜不倦地寻找着替代方案，但除非他们歪曲了有关暗物质的事实(有些人确实是这样做的)，否则他们有大量的证据需要解释。在寻找宇宙中巨大的未知时，我们可能会很幸运，这就是我们尝试的原因。但是没有证据并不代表暗物质不存在。当谈到暗物质时，不要让自己被愚弄了。
作者: Ethan Siegel
FY: 光粒
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选文：天文志愿文章组-
翻译：天文志愿文章组-光粒
审核：天文志愿文章组-
终审：天文志愿文章组-
排版：天文志愿文章组-零度星系
美观：天文志愿文章组-
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://medium.com/starts-with-a-bang/this-is-why-its-meaningless-that-dark-matter-experiments-haven-t-found-anything-6854df26c09e
本文由天文志愿文章组-光粒翻译自Ethan Siegel的作品，如有相关内容侵权，请于三十日以内联系运营者删除。
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全文排版：天文在线（零度星系）
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