走出黑“暗”见“物质”

释放双眼,带上耳机,听听看~!

暗物质终于发现在即?

  挑一个词来形容暗物质。神秘? 难以捉摸?不可见?然而,你不可能用的一个词是“被找到”。但在对其80年的搜索之后,这也许行将发生改变。深藏地下的数个实验最近可能——仅仅是可能——看到了暗物质的信号。与此同时,在太空中,探测器正在追踪可能是相同的暗物质粒子在银河系中碰撞并湮灭所发出的辐射。这仅仅是巧合,还是这些微弱的信号真来自相同的黑暗之手?

  美国芝加哥大学的理论天体物理学家丹·胡珀(Dan Hooper)相信,我们可能已经瞥见了暗物质。“我恰好是那些持肯定态度的极少数派之一,”他说,“但我并不确定——我只是认为可能。”如果胡珀的预感是正确的,这些发现将会挑战我们对暗物质是什么的认识。这些占据宇宙物质85%的东西兴许比我们所想象的甚至还要奇特。

  因为不会发出望远镜能捕捉到的光,暗物质因此得名。然而,无论我们往哪儿看,都能看到它留下的引力印迹,从微波背景辐射中的涨落到最大的星系团。如果大爆炸没有创造出充足的暗物质,就没有足够的引力来使得气体和尘埃坍缩成恒星和星系。没有了暗物质,转动的银河系就会解体。“暗物质是构建星系的骨架,”美国加州大学欧文分校的宇宙学家詹姆斯·布洛克(James Bullock)说,“没有它们,我真的不认为在宇宙中会有多少结构。”

  天文学家发现了它,宇宙学家勘测了它,但最热衷于了解它们的则是粒子物理学家。他们知道,暗物质有着本质上的差异,游离在描述可见宇宙中粒子和力的标准模型之外。许多科学家相信,暗物质是一扇通往未知世界的窗户。但它们是什么呢?

走出黑“暗”见“物质”
[图片说明]:暗物质包括着星系的艺术概念图。来源:V. Belokurov, D. Erkal, S.E. Koposov (IoA, Cambridge)。照片:M31彩色图像:Adam Evans,暗物质团块模拟:Volker Springel (HITS)。

  暗物质的头号候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。WIMP得名于我们怀疑它们和可见物质间仅有引力和弱核力作用。尽管弱相互作用很弱,但它仍使得WIMP是可以被探测的。在对它们所进行的几十年的搜索中,暗物质猎人们采取了3种互补的手段:直接探测、间接探测和对撞机。

  低温暗物质搜寻(CDMS)实验是直接探测的代表——它也是可能找到暗物质的实验之一。其想法是,在穿行于银河系中的数十亿个WIMP中,总该会有一个与探测器中的一个原子核发生相互作用,非常轻微地推它一下。CDMS的夹心标靶由传感器之间的硅和锗构成的,它们会记录下电子以及由这些碰撞所产生的微弱振动。为了保护这些探测器免受背景干扰辐射的影响,CDMS的团队将其安置在美国明尼苏达州一个地下700米深的矿井里。它们会被冷却到绝对零度之上一百分之一度,由此来把热噪声降到最低。

  2013年4月,CDMS团队公布了在硅中发生的可能是WIMP的3次碰撞。这些粒子重8千兆电子伏(GeV),是质子质量的大约8倍。不过仅有的3次碰撞不足以让科学家们确信。

  然而,CDMS的发现却为暗物质搜索添加了额外的变数。这是因为,这些结果与同在明尼苏达矿井中的CoGeNT实验相符,后者在2011年观测到了有着相同质量的粒子。和CDMS一样,CoGeNT并没有观测到足够数量的事件来得出全然的结论。不过,当把这些结果汇总到一起时却耐人寻味。尤其是CoGeNT最初的目标之一便是平息暗物质圈里声名狼藉的一个议题,被称为DAMA/LIBRA异常。

  DAMA/LIBRA实验位于意大利巨石峰国家公园地下1400米处,已经运转了超过十年。它的探测器测量到了一个会随着季节起伏的信号,这正如地球在绕太阳公转的过程中会穿行于暗物质海中时所会发生的。DAMA/LIBRA暗示暗物质粒子的质量在10GeV左右,与CDMS与CoGeNT的结果相似。与对这一信号的来源各执一词不同,没有人对DAMA/LIBRA所探测到信号的强度表示怀疑——用物理学术语来说,其标准偏差达到了8.9个σ,高于标称一个发现所需的5σ水平。

  然而,许多年来一直没有人相信是暗物质导致了DAMA/LIBRA的结果,因为当时它只此一家。之后CoGeNT粉墨登场。令领导着该团队的美国芝加哥大学的胡安·科勒(Juan Collar)和其他人同样惊讶的是,CoGeNT并没有排除DAMA/LIBRA的发现。“与否定掉DAMA的结果相反,我们在低能段上发现了一个我们无法解释的超以及一些周年变化的线索,”他说。CoGeNT团队很快就会发表他们为期4年的观测结果。“我没办法告诉你那是什么,”科勒说,“但我可以告诉你这些数据非常有意思。”

  另一个问题是,几十年来理论家们一直钟爱较重的WIMP,在100GeV左右。这些较重的WIMP是超对称以及其他试图超越标准模型的理论的自然产物。而较轻的WIMP则与它们的许多预期相抵触。

  不过,最大的问题是,世界上最大且最灵敏的直接探测实验XENON至今还一无所获,令所有这些发现疑云重重。就像一个过分热忱的清洁工,XENON团队已经排除了一个又一个的潜在观测结果,包括绝大多数10GeV的WIMP。正如他们用物理学中的外交辞令所说的,在XENON的否定结果和其他实验的结果之间“关系紧张”。

禁区

  领导XENON合作项目的埃琳娜·阿普里尔(Elena Aprile)深切地感受到了这一紧张的气氛。“排除一个又一个,同时又什么也没发现,这是一场噩梦,”她说。她希望她团队的结果可以挑战其他的实验,来建造更大更好的探测器,发现或排除质量更小的粒子抑或甚至更弱的相互作用。她自己的团队正在建造一个比XENON灵敏100倍的探测器。预期会在2015年投入运转。

  不过,认为WIMP就位于7~10GeV之间的科学家们并没有放弃。他们知道每一个实验的结论都建立在一些理论假设之上,这些假设包括WIMP如何与不同原子核相互作用、暗物质在银河系中的分布和速度以及每个探测器的响应能力。例如,在一篇最近的论文中,胡珀提出,如果XENON探测器的响应能力与预期稍有不同的话,它的结果就能支持其他的实验。他希望,将于今年底开始运转的世界上最灵敏的暗物质探测器LUX可以解决这一争议。

  最轻的WIMP还得到了来自太空的支持。几个仪器设备正在搜寻暗物质粒子碰撞和湮灭的信号。这些间接探测寻找的是γ射线中的独有特征或者是在湮灭中所产生的反物质。最有希望的观测之一来自费米γ射线空间望远镜。2010年它在银河系盘的上下侧发现了两个高25,000光年的巨大γ射线泡。虽然可能有着其他的源头,但胡珀和美国麻省理工学院的理论物理学家特蕾西·斯莱特尔(Tracy Slatyer)认为,这两个泡所呈现出的正是7~10GeV暗物质粒子的湮灭。“这一10GeV窗口正开始变得极具启发性,”胡珀说。

  但是,间接探测也有它们共同的缺陷。曾经有一个费米的信号被欢呼成是“确凿的证据”,但在更多的测量之后则渐渐凋零了。PAMELA卫星和国际空间站上阿尔法磁谱仪(AMS)的信号表明,暗物质粒子应该是大质量的,而来自另一个γ射线卫星的结果却认为WIMP的质量应该只有前者的千分之一。

  最后,如果WIMP确实存在,它应该可以在粒子的高能碰撞中被制造出来。这意味着它们应该会在大型强子对撞机中现身。然而,到目前为止我们什么也没看到。

  面对如此不知所措的局面,每个人都同意,需要更多的时间来收集数据并且建造更大更好的探测器。“我们希望能100%地确定我们所说的话,”AMS的副发言人罗伯托·巴蒂斯顿(Roberto Battiston)说。

  虽然像阿普里尔这样的实验物理学家把没有发现WIMP说成是“一场噩梦”,但是许多理论物理学家却闻到了这个领域所散发出的混乱气息。“为了解决暗物质谜题,对于暗物质可能是什么,我们必须尽可能地拓宽思路,”美国密歇根大学的高能理论物理学家凯瑟琳·祖瑞克(Kathryn Zurek)说。

  祖瑞克和其他人正在研究更丰富得多的暗成分,包含有多种暗物质粒子和相互作用,甚至还有暗原子、暗化学,乃至一个完全和我们一一对应的镜像宇宙。

  英国杜伦大学的席琳·波姆(Celine Boehm)率先研究了一个想法,在最简单的模型中加入一种新的暗作用力,这会让暗物质粒子间发生相互作用,使得暗成分会包含有暗电磁作用和暗光。在量子理论中电磁力需要光子来传递,波姆的想法也暗示了暗光子的存在。“暗光子会是一种超越我们目前已知范畴的自然界作用力,”美国纽约州立大学石溪分校的粒子物理学家鲁文·埃西格(Rouven Essig)说。

  从可见物质和暗物质如何从大爆炸中创生到星系和更大尺度的结构如何形成,暗作用力都会产生重大的影响。在2008年的一篇论文中,斯莱特尔和理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)、道格拉斯·芬克拜纳(Douglas Finkbeiner)以及尼尔·韦纳(Neal Weiner)一起提出,一个长程的暗作用力可以增大暗物质碰撞的概率,漂亮地解释DAMA/LIBRA、PAMELA以及有关的发现。“对暗成分有着自己的相互作用力的假设是完全合理的,”韦纳说,“你把它加进来,你发现它同时能解释很多东西,这是它的优点。”

  这打开了一扇各种可能性的大门。美国约翰斯·霍普金斯大学的理论物理学家戴维·卡普兰(David Kaplan)提醒,暗作用力也暗示了暗电荷,它可以构成暗原子,类氢化学,可能还有暗恒星。2013年初,美国哈佛大学的安德雷·卡茨(Andrey Katz)及其同事甚至提出,一些暗原子会冷却并位于星系盘中。这一“双盘暗物质”可以解释一些实验中的异常现象并且应该易于检验。

暗光

  暗反物质也是可能的。根据由卡普兰、祖瑞克和美国加州大学戴维斯分校的马库斯·鲁蒂(Markus Luty)所提出的一个理论,早期宇宙中普通反物质和暗反物质间的联系可以干净地解释我们现在所观测到的暗物质数量。

  这一切中也许最激动人心的是,有可能在实验室中制造出暗光。加拿大多伦多大学的理论物理学家鲍勃·霍尔敦(Bob Holdom)在1986年证明,暗光子可以与普通光子和电子发生相互作用,一些科学家由此认为暗光子会比更重的暗物质粒子更易于探测。“暗光子可以非常轻,已有的加速器就能发现它,”德国美因茨大学的实验物理学家哈拉尔德·默克尔(Harald Merkel)说。

  这一前景激烈了大批欧洲和美国的实验物理学家。默克尔正在进行的美因茨电子回旋加速器实验已经开始了对暗光子的搜寻,但是迄今还什么都没有看到。“如果我们发现了什么,你会知道的,”默克尔说,“这会和发现希格斯玻色子同样重要。它将会开启新的物理学。”

  在大西洋的另一侧,三个实验——暗光(DarkLight)、APEX和重光子搜寻——已经在美国杰斐逊实验室通过了初步测试。它们每一个都对不同的质量范围敏感,因此这三个实验可以相互补充。在杰斐逊实验室的加速器完成升级投入使用后,重光子搜寻将于2015年开始收集数据,APEX和暗光会紧随其后。该实验室的高能粒子物理学家约翰·杰罗斯(John Jaros)提醒说,即便这些实验发现了暗光子,寻找到它们和暗物质的联系仍将会是个挑战。

  这些疯狂的实验都提出一个问题:怎么样才能宣布发现了暗物质?科学家们都同意,对暗物质粒子或者作用力令人信服的发现至少需要2个不同的实验在质量和与普通物质相互作用的强度上给出完全一致的结果而且具有很高的统计置信度。对此,科勒还补充了2点。“在理想情况下,在加速中应该要能人为地制造出与之相容的暗物质,”他说,“而且,最重要的是可以解释这一粒子的理论还必须要能给出其他可检验的预言。”

  无论这些实验会发现什么,暗物质正在引发一场被美国普渡大学物理学家拉斐尔·兰(Rafael Lang)所称的新哥白尼革命。如果暗物质粒子被发现了,它将是为攀登暗成分这座大山漫长而艰辛旅程打下的第一枚岩钉。如果没有发现,那么很快,从引力如何作用到超越标准模型的整个物理学,一切都将陷于混沌。

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