暗物质藏在哪？物理学家准备撒一张更大的网

　　在亚平宁山脉的地下、四川锦屏山的深处、南达科他州一座矿井的底部，一场宇宙级别的追捕正在进行。

　　深埋在这些岩石屏障下面，装满液态氙的巨型探测器试图首次直接探测到暗物质——那种人类寻找已久的隐形物质，它的引力塑造了我们的宇宙。

　　研究者希望有一天，一颗被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）的暗物质粒子会撞上一个氙原子，产生一束闪光和一股电荷。这些实验运行了好几年，最近开始捕捉到一种稀有的信号，一种像幽灵一样穿过普通物质、偶尔才撞上探测器的粒子。遗憾的是，这个信号不是暗物质产生的。探测器捕捉到的是一种同样飘忽不定但普通得多的东西：中微子——太阳和其他恒星大量产出的超轻亚原子粒子。

　　物理学家几十年前就知道这个中微子背景噪声的存在，只是寄希望于在中微子成为干扰之前先找到 WIMP 暗物质。然而，如今的希望越来越渺茫了。当今的一些 WIMP 探测器实在太大、太灵敏了，它们正在进入所谓的“中微子迷雾”中——中微子信号很可能淹没真正要找的目标。没有任何屏蔽手段能挡住中微子，它们轻轻松松就能穿过整个地球。这意味着下一个用这种传统方法搜寻 WIMP 暗物质的实验，可能就是最后一个。

　　但撞上中微子迷雾并不意味着暗物质搜寻的终结，研究者只需要换一个方向。“我们没有看到 WIMP 暗物质。”加州理工学院理论粒子物理学家凯瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）说。科学家也没有在横跨法国和瑞士边境的强大质子对撞设施大型强子对撞机（LHC）中发现新粒子。“所以人们自然会把视野放宽。”祖雷克说。视野一放宽，等着被检验的候选者还有很多。

　　换句话说，这场搜寻正在从一个窄小的探测变成一场全面铺开的行动，这是一个很大的转变。今天的粒子物理学家对暗物质身份的把握，反而不如他们刚开始找的时候。他们会坦率地承认：连最基本的问题都不能想当然——比如暗物质的组成成分比地球重还是比无线电波轻，暗物质是一种粒子还是十几种。

　　这种不确定性令人沮丧，甚至让人谦卑。“候选者可能存在的范围太大了，任何一个小实验找到它的概率都非常非常小。”加州大学圣巴巴拉分校暗物质实验物理学家休·利平科特（Hugh Lippincott）说。

　　但在预想位置找不到暗物质，也催生了大量新搜寻方案：量子传感器、液态氦探测器、在木星大气层中搜索，等等。“现在大家非常兴奋。而且终于有了合适的技术。”华盛顿大学物理学家格雷·里布卡（Gray Rybka）说。他联合领导着一项搜寻轴子（一种超轻暗物质候选粒子）的实验。

　　但可以找的地方这么多，物理学家该从哪里重新开始？

　　天文学上的无知

　　先从宇宙的诞生说起。暗物质从一开始就跟我们在一起，那些早期岁月有很多东西可以学。宇宙早年发出的第一缕光充满了由底层物质分布不均匀造成的波动，读这些宇宙“残渣”，研究者能看出宇宙中只有 17% 的物质是由质子和中子这样的普通粒子组成的，剩下 83% 是暗物质。暗物质除了引力之外，跟光和普通物质几乎没有任何相互作用。

　　虽然看不见暗物质，但它的引力留下了大量线索。我们知道银河系周围包裹着一团暗物质，因为太阳系绕银河中心转的速度太快了，光靠普通物质的引力根本拽不住。没有暗物质在旁边拉着，我们早就被甩进星系间的虚空了。我们还能看到暗物质的质量会弯曲经过它的光线，就像透镜一样。把视野拉到最大，超星系团在太空中的分布就像蛛网上的露珠——这种结构离了暗物质，任何宇宙学理论都解释不了。

　　但所有天文学和宇宙学的证据对“暗物质到底是什么做的”几乎一无所知。“它告诉不了你单个组成成分是什么，只能告诉你一大堆放在一起的总效果。”利平科特说。他领导着 LZ 实验，一台目前在南达科他州前霍姆斯塔克矿井里运行的 WIMP 暗物质探测器。

　　WIMP 这个概念是 1980 年代提出来的。当时理论家们在想怎么扩展标准模型——粒子物理学的总框架，描述了宇宙中所有基本粒子和它们之间的相互作用。标准模型很强大，但有缺口，最明显的就是没有包含引力，所以需要补充。当时最流行的补充方案叫超对称（简称 SUSY），核心思路是：宇宙中每一种已知粒子都应该有一个尚未被发现的“超伙伴”。要解释为什么超伙伴至今没被探测到，它们就必须质量很大（大到现有对撞机够不着）、而且跟普通物质的相互作用极弱，能像幽灵一样穿过物质。换句话说，超伙伴就是 WIMP。物理学家很快意识到 WIMP 同时也是绝佳的暗物质候选粒子：两个问题，一个粒子全解决。

　　超对称这个想法太诱人了，很多粒子物理学家指望 LHC 一开机就能看到 WIMP。结果 2008 年 LHC 启动，数据一批批出来，最有希望的超对称理论基本被排除了。WIMP 倒是活了下来，只不过跟催生它的那套理论脱了钩。

　　但现在看来，WIMP 如果存在，可能已经超出了我们当前的探测能力。困难有很多，最棘手的一个可以这样理解：你在大海捞针，偏偏海里还有几根长得像针的东西。中微子和探测器里的氙之间偶尔会发生相互作用，虽然概率极低，但产生的信号跟暗物质的太像了，分不清楚。

　　如果还有最后一次 WIMP 实验，它得搜遍 WIMP 所有可能藏身的角落，连中微子迷雾里面也不放过。有一个叫 XLZD 的项目正是为此设计的（名字拗口，是几个现有合作项目拼在一起的缩写），计划使用 60 到 80 吨液态氙——相当于全球一年的氙产量，比目前最大的探测器多至少六倍。但这个项目可能已经黄了：2025 年 12 月的一次粒子物理学会议上，美国能源部宣布既不承办也不出钱，而项目造价可能远超 3 亿美元。“这个项目可能根本做不成了，”利平科特说，“美国一退出，基本上就等于判了死刑。”

　　与此同时，暗物质的搜寻范围在急剧扩大。2022 年研究者画了一张巨大的候选者分布图，把暗物质可能的组成和对应的质量都标了上去。候选者主要分布在两个区间，跨度大约 50 个数量级——10 后面跟 49 个零。最重的一端是原初黑洞，一种假想的天体，大小跟小行星差不多，可能在大爆炸后不久就形成了，至今还在宇宙中飘荡。

　　但很多物理学家最感兴趣的是最轻的那头：轴子。

　　侧耳倾听

　　跟 WIMP 一样，轴子最初也是为了修补标准模型才被提出来的。它要解决的是强核力的一个未解之谜——强核力是把原子核黏在一起的基本力。理论上，它处理物质和反物质的方式可以不一样，但实验显示它偏偏完全一样，没人说得清为什么，这个现象被叫作“强 CP 问题”。1970 年代理论家提出了一个办法：加入一种极轻的粒子，质量只有电子的万亿分之一到百万分之一，或许就能把这个问题解决。这就是轴子。

　　轴子数量庞大，跟普通物质几乎不发生相互作用——正好是暗物质必须具备的两个特征。但要探测到它很难。轴子携带的能量微乎其微，大约跟一个无线电波差不多，传统粒子探测器根本感觉不到。（LHC 里质子对撞释放的能量大约是轴子的 100 亿亿倍。）

　　物理学家想了一些招。最有希望的一种是把一个超冷腔体加上强磁场当成收音机用，调到特定波长上“收听”。如果恰好有一颗轴子跟腔体共振（也就是波长对上了）它就有机会变成一个光子，那就好检测多了。第一台全尺寸探测器叫“光晕镜”（haloscope），1994 年在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建成。今天全球有一批这样的探测器，名字都很古怪：MADMAX、ABRACADABRA。

　　拿一台宇宙收音机去听一颗隐形粒子，需要极其精细的操作。量子传感器要冷却到毫开尔文——离绝对零度只差零点几度。即便如此背景噪声也消不干净。“有一次我们检测到了一条‘上帝的信息’，”里布卡自嘲地告诉我，“一查联邦通信委员会的频谱分配表，是一家宗教广播电台。”

　　到目前为止，物理学家大概搜索了能解决强 CP 问题的轴子可能存在的参数空间的 10% 到 20%。但搜寻不止于此，他们也在找那些不解决强 CP 问题、但仍然可能是暗物质的轴子。“越来越多的人在专门为暗物质构建模型，哪怕跟其他问题无关，”加州大学圣克鲁兹分校理论物理学家戈里说，“当然，能一次解决两个问题就更好了。”

　　静静的革命

　　暗物质迟迟找不到，物理学家的心态也在变。候选者不再需要 WIMP 那种理论上的优雅，也不需要轴子那种简洁，而是退而求其次，只要符合暗物质的基本要求就行。

　　这类“不挑剔”的候选者中最有代表性的是低质量暗物质，质量介于电子和质子之间。石溪大学理论物理学家埃西格打了个比方：WIMP 是台球，低质量暗物质是乒乓球。乒乓球砸到保龄球瓶上，力道太小，撞不出清晰的信号。“必须想出全新的探测方法，也需要全新的技术。”埃西格说。

　　研究者设计了各种新型探测器，装在世界各地的地下实验室里，很多就紧挨着老一代 WIMP 探测器。有的找粒子撞飞电子的痕迹，有的盯着晶体，看晶格被轻轻撞一下后有没有微微颤动。还有原型机用液态氦——一种极灵敏的超流体，暗物质粒子打上去应该会溅起“水花”。

　　但有个麻烦：噪声。暗物质探测实验都受外部噪声困扰，低质量暗物质搜寻还得对付探测材料本身的内部噪声。晶体里的原子晶格就像拥挤的地铁车厢，天然会晃来晃去、挤压“乘客”（电子）。这不是找暗物质时想要的安静环境。

　　噪声已经造成过困扰。2020 年，好几台搜寻低质量暗物质的探测器都冒出了大量出乎意料的信号。有人猜：这会不会就是暗物质？查下来发现大部分信号的噪声来源都能找到，答案很明确：不是。

　　背景噪声什么地方都可能来。硅基探测器里的杂质会产生噪声；在地表放太久的材料会被宇宙射线照出轻微的放射性；有一次实验里，一个晶体探测器被螺丝拧得太紧，多出来的压力产生的振动看起来跟暗物质信号一模一样。“搞清楚背景噪声从来都难，”劳伦斯伯克利国家实验室的实验物理学家麦金西说，“但我们跳到新的探测范围太快了，快到整个领域突然不清楚主要的背景噪声是什么了。”

　　控制噪声越来越重要，因为低质量暗物质的实验正在变大。几年后麦金西和同事打算在法国莫丹、意大利边境 1700 米厚的岩层下面安装一批桌面大小的实验装置。其中一个是装着大约一汤匙超冷液态氦的容器。如果一颗低质量暗物质粒子撞上液面，产生的振动会把数千个氦原子喷向上方，上面的硅探测器负责捕捉电压的微观变化。其他装置用的是蓝宝石-二氧化硅晶体和砷化镓（一种半导体）。

　　这些实验的目的是筛选出最好的技术路线，然后再建更大、更灵敏、也更贵的探测器。“想法还很多，哪种最适合放大规模还说不准。”埃西格说。现在的原则是：只要放得下桌面、理论上能测到暗物质，就值得试。

　　引力至上

　　搜猎场不局限于桌面，也不局限于地球。有人建议别只在地下实验室里找，也去行星、恒星和卫星上看看。如果暗物质粒子偶尔在相遇时互相湮灭，可能会电离行星大气中的氢，产生一道从太空就能看见的紫外极光。这种自湮灭释放的热量可能很大——大到足以熔化行星的内核。地球的内核是固态的，这本身就能反过来约束暗物质的性质。更精确地测量行星内核温度，能把约束条件收得更紧。

　　用天文现象来搜寻暗物质不是新思路，但近年来物理学家的方案越来越有想象力。一个特别吸引人的建议是：去看木星卫星木卫三的冰封海洋。如果暗物质非常重——比如是一颗原初黑洞——它可能打穿冰面，留下一个跟小行星撞出来的完全不一样的坑。

　　也有物理学家认为应该把现有假设全放下，回到最基本的地方重新出发。“我们关于暗物质的一切认知都来自它跟引力的相互作用。”加州理工的祖雷克说。如果专注于引力这条线索，至少“你一定能学到东西”。

　　我们知道暗物质在星系尺度以上是怎么表现的。“再往小了看，暗物质怎么在引力作用下聚到一起，我们几乎一无所知。”祖雷克说。比如在一个太阳系的范围里，它是怎么分布的？

　　这不是一两年甚至五年能做的事，而且现有技术的灵敏度远远不够。祖雷克做的是真正长远的打算。“大概需要几十年，也许一百年，”她坦言，“但我这辈子可能看不到了。”

　　也许将来有一天，物理学家可以通过监测遥远脉冲星（死亡恒星的旋转残骸）的精确计时，或者测量被激光悬浮的原子之间引力的微小扰动，更多地了解暗物质的真面目。

　　眼下这个问题的规模令人发怵，尤其跟粒子物理学家以前解决过的问题比。LHC 开机之前，找希格斯玻色子的人已经把搜索范围框得很窄了。严谨的理论计算和扎实的实验数据告诉他们：如果希格斯存在，质量一定在质子的 120 到 150 倍之间。LHC 开始对撞后没多久，希格斯就从数据里冒了出来，正好是质子质量的 133 倍。

　　暗物质完全是另一回事，几乎是个彻底的谜。里布卡说猜它的质量或相互作用强度就像“从帽子里抽数字”。“我们连帽子长什么样都不知道。”

　　这么多未知数面前，成功毫无保障，研究者自己也清楚。“没有谁保证你能发现什么。你可能在彻底浪费时间。”埃西格说。

　　但这没有让他和其他人退缩。“问题的性质就是这样。我们得大范围搜、各种方法都试，”埃西格说，“没兴趣的话，还是去干别的吧。”