遍佈全宇宙的暗物質究竟是什麼？在物理學家之間曾存在一個最受歡迎的理論，如果暗物質真的符合該理論的預測，那很多物理問題就能迎刃而解。但幾十年來實驗探測的精度不斷提升，幾乎窮盡了可以探索的參數空間，備受期待的暗物質卻還不出現。現在，越來越多的人開始懷疑，我們是不是找錯了方向？物理學家逐漸重新開始思考暗物質其他的可能。而如果拋下用暗物質同時解決多個物理問題的執念，在主流的理論之外，暗物質其實仍存在着豐富的可能，對應多種多樣的科學問題和實驗手段。或許是時候放寬視野，拿起暗物質的下一張尋寶圖，用新的思路來尋找暗物質了。
在這篇來自《環球科學》2024年10月新刊的文章中，我們將跟隨特雷西·R.斯拉切爾與蒂姆·M.P.泰特的講述，看看物理學家如何追逐暗物質這一越來越難以捉摸的獵物。
撰文｜特雷西·R.斯拉切爾（Tracy R. Slatyer）蒂姆·M.P.泰特（Tim M. P. Tait）翻譯｜張園園審校｜劉江來
宇宙中絕大部分物質都是不可見的，我們稱之為「暗物質」。它的引力會影響恆星和星系的軌道，從而能被我們觀測到。我們還能觀測到它如何扭曲光線，並檢測它如何影響宇宙大爆炸等離子體發出的光。基於這些高度精確的測量結果，我們有充分的理由相信暗物質無處不在。然而，至今也沒人知道暗物質到底是什麼。
在過去的數十年間，我們不斷嘗試在實驗中找到暗物質的蹤跡，但至今尚未取得確鑿的成果。也許再堅持一下就能探測到它，但長時間的等待已經引起了一些研究者的懷疑——是不是我們搜尋的地點或方法出了問題？目前尋找暗物質的實驗聚焦在少數幾個理論候選者上面，因為它們似乎同時能給其他物理問題提供線索。但這些物理問題與暗物質未必存在關聯。越來越多的物理學家承認，我們或許需要在更廣泛的理論解釋中尋找答案。問題的疆域擴展開來，讓人既緊張又興奮。
與此同時，我們開始直面一縷令人警覺的思緒：或許我們永遠都沒法確定暗物質的本質。在暗物質探索的早期，這種想法似乎很荒謬。那時我們有眾多出色的理論，還有眾多的實驗方法可供驗證。然而，容易走的路大都已被涉足，結論卻是暗物質遠比我們想的更神秘。
暗物質極有可能以目前實驗技術無法探測的方式存在——甚至可能完全不與常規物質發生作用。倘若它除了引力之外，不再與普通原子發生任何相互作用，那麼我們幾乎不可能在實驗室中檢測到它。在這種情況下，我們仍然期望用天文觀測來描繪暗物質在宇宙中的分佈，增進對它的理解。但也有可能，暗物質太難以捉摸，我們永遠無法洞悉它的本質。
迷人的假說
2022年8月的一個宜人夏夜，我們與幾位物理學家在美國華盛頓大學，圍坐在桌旁，討論「斯諾馬斯進程」（Snowmass Process）的成果。這是美國粒子物理學界一項持續一年的研究，大約每十年進行一次，旨在就未來研究的優先事項尋求共識。我們的任務是總結暗物質搜尋的進展和潛力。要剖析暗物質的可能性有多少種，以及梳理眾多探索暗物質的想法，這項工作令人望而生畏。
我們正處於暗物質探索的特殊時刻。自20世紀90年代以來，數千名研究人員對可能構成暗物質的粒子進行了詳盡的搜尋。到現在，他們已經排除了很多最簡單、最易於檢驗的可能。儘管如此，大多數物理學家仍然相信暗物質的存在，並認為它代表某種獨特的物質形式。
如果宇宙中沒有暗物質，我們就不得不大幅修改當前的引力定律，而後者又基於愛因斯坦的廣義相對論。更新理論，去除對暗物質的依賴——意味着要麼在保持現有理論框架的基礎上調整廣義相對論方程，要麼引入全新的理論範式來完全取代廣義相對論——似乎都很困難。
這些理論變化必須能在各種天體物理系統中復現暗物質的效果，覆蓋範圍從銀河系最小的衛星星繫到龐大的星系團。換言之，它必須在極大的距離和時間尺度範圍上都能適用，且不能與我們已有的、對引力運作機制的大量精確測量結果衝突。
倘若暗物質僅是對引力的一種普遍修正，而引力又普遍地關聯所有物質，這些修正還需要解釋，為何不是所有星系和星系團都含有暗物質。此外，在構建自洽的修正引力理論來解釋暗物質時，即便最巧妙的嘗試最終也仍需引入某種形式的暗物質，才能解釋我們在宇宙微波背景輻射中觀測到的漣漪。
相比之下，假定存在一種僅不與光相互作用的新型物質，是更簡潔的想法。實際上，我們已經擁有此類暗物質的實例，那就是中微子——這些幾乎無質量的粒子無處不在，卻極少與其他物質發生相互作用。然而，我們已經知道了中微子並不足以解釋宇宙中大部分的暗物質，它們最多能占暗物質總量的1%左右。
那麼，剩下的99%呢？暗物質是否可能只是冰山一角，是標準模型之外一種或多種新粒子初現的端倪？暗物質是否可能感受到已知粒子感受不到的新相互作用（就像暗物質似乎感受不到電磁力一樣），或者它是否與新的自然基本原理有關？對標準模型的精確測量引出了一些突出的謎題，暗物質能否解決它們？或者它是否能揭示宇宙歷史最初的篇章？毫無疑問，目前所有這些問題的答案都只是「可能」——但正是這些新發現的可能在驅使我們繼續前進。
在眾多關於暗物質性質的理論中，最受青睞的兩類假設分別是弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，簡稱WIMP）和量子色動力學（Quantum Chromodynamics，簡稱QCD）中的軸子。這些理論框架塑造了理論物理學家思考暗物質的方式，並催生了大量尋找暗物質的實驗研究。
WIMP是一類暗物質模型的統稱，每種WIMP都對應一種理論物理學中假設的穩定粒子，質量與標準模型中的粒子相當。質子的質量略低於1 GeV/c²，而大多數WIMP探測實驗集中於10至1000 GeV/c²的質量區間內（粒子物理學家發現，通過愛因斯坦的質能方程E= mc²，用能量來衡量質量極為便捷）。經典版本的WIMP，能夠直接與攜帶弱相互作用的W和Z玻色子發生相互作用，這也是WIMP名稱中「W」的由來。這類粒子在超對稱理論框架下自然存在。
在超對稱理論框架下，每個已知粒子都對應一個更重的夥伴粒子，稱為「超伴子」。大約十五年前，該領域的研究者就期望能在瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機中發現超伴子，但遺憾的是，這一願望並未實現。這說明如果超對稱理論真的成立，那超伴子的質量必須比原本預期的還大。此外，儘管多種超對稱理論都預測了WIMP暗物質，但反過來並不成立；即便在不存在超對稱的宇宙模型中，WIMP依然是暗物質的潛在候選者。
許多物理學家喜歡WIMP的原因之一，是這些粒子與我們在宇宙中觀測到的暗物質數量自然就能匹配上。當宇宙比現在小得多、密度更高、溫度更高時，即使是弱相互作用也足以讓常規粒子和WIMP在碰撞中相互轉化。就算大爆炸最初沒有產生WIMP，常規粒子也能通過相互作用產生它們。WIMP在碰撞過程中將其能量轉化為常規粒子，此過程會消耗大部分WIMP，僅留下少量殘餘。例如，一種與希格斯玻色子質量相當的WIMP，就能讓宇宙中的暗物質豐度和觀測結果相符，這一機制簡單且迷人。
WIMP之所以吸引許多實驗者，是因為它們與常規粒子之間必定存在顯著的相互作用——所以它們才能製造出宇宙中這麼多的暗物質。探索WIMP有三種傳統方法：對撞機實驗：研究者將標準模型粒子撞在一起，重現早期宇宙的環境，期望從中產生暗物質；直接探測實驗：使用極其敏感的探測器來尋找可見粒子在被暗物質粒子撞擊時產生的微小變化；間接探測：從宇宙中尋找暗物質粒子相互碰撞並湮滅時產生的常規粒子。特別是第三種方法，正是它檢驗的破壞性過程決定了宇宙中WIMP的豐度。因此，如果這些反應在現今的行為模式與早期宇宙中保持一致，我們便能對它發生的概率作出明確的預測。至於前兩種方法，預測就沒有那麼明確了。在對撞機實驗中，我們探測WIMP的能力取決於它的質量：產生質量過大的WIMP所需的能量可能超過對撞機的極限。而在間接探測中，我們並不清楚WIMP與常規粒子發生碰撞的概率。
天體物理學的觀測——間接探測——可能已經揭示了一些暗物質湮滅的信號。然而，這些觀測結果也能用更普通的現象解釋。例如，銀河系中心的GeV伽馬射線過量現象，它過量的比例和能量與WIMP湮滅信號相吻合。該現象首次發現於2009年，那為什麼我們還沒有宣佈勝利呢？遺憾的是，我們了解到某些旋轉的中子星亦能產生類似能量的伽馬射線，而且此處過量的伽馬射線很可能是一批過去未被發現的中子星留下的痕跡。我們希望這個問題未來幾年內能被解決：如果在直接探測或對撞機實驗中找到相應的信號可以支持暗物質的解釋；如果在其他波長下發現來自中子星的輻射，則會排除這種暗物質解釋。
在未來十年左右的時間裏，智利和西班牙正在建造的切倫科夫望遠鏡陣列（Cherenkov Telescope Array），還有計劃在南美洲建造的南半球廣域伽馬射線天文台（Southern Wide-field Gamma-ray Observatory）等大型伽馬射線望遠鏡，有望能探測到產生暗物質的WIMP機制，直至理論容許的最高質量上限。然而，即便我們未能觀測到暗物質的湮滅現象，WIMP理論還有可能是正確的理論。在某些模型中，早期宇宙中產生WIMP的湮滅過程會在後來停止。不過，在這些情況下，對撞機實驗和直接探測通常仍能探測到WIMP。
直接探測實驗在提升對稀有事件的靈敏度方面取得了驚人的進展。在未來十年內，新一代實驗有望達到足夠的靈敏度，開始能探測穿越探測器的太陽中微子。在靈敏度達到這一水平之前，暗物質不大會同其他過程混淆，似乎也沒有什麼無法克服的技術挑戰。在這個範圍內，仍有許多簡單模型預言的WIMP。
另一種暗物質候選粒子QCD軸子則與WIMP大相逕庭，直到不久之前，我們都還沒有足夠的能力來檢測它。與WIMP類似，軸子被視為一種新型的基本粒子，但質量要小得多：比任何已知的粒子都輕得多，甚至比中微子還要輕。如果這些粒子真的存在，無論是否構成了全部的暗物質，都有可能解決縈繞在強相互作用上的難題，而正是強相互作用將原子核牢牢固定在一起。此外，軸子理論提出了明確的預測：一旦我們確定了軸子的質量，便能估算出它與常規粒子相互作用的強度。然而，不幸的是，這些相互作用的強度取決於軸子的質量，對於質量較輕的軸子，相互作用可能極其微弱。
然而，軸子可能會產生顯著的影響，因為要解釋暗物質，它們的數量必須非常多，多到會表現為一種波動，而非作為獨立的粒子存在。依據量子力學的原理，每個基本粒子同時也是一個波，且其波長與質量成反比。在小於該波長的尺度上，粒子的經典圖像就會瓦解。軸子非常輕，它甚至能讓我們在地面物理實驗的尺度上看到量子效應。
根據預測，QCD軸子與常規物質之間的相互作用極為微弱，所以目前進行探索的實驗相對較少，且搜尋的質量範圍只佔理論可能的極小一部分。然而，新的探測策略和量子傳感技術提供了一種新的可能，讓我們能橫跨多個數量級的質量範圍搜尋QCD軸子。作為一項長期的研究項目，軸子暗物質實驗（ADMX-G2）的最新疊代版本展現出了極高的靈敏度。而類似暗物質收音機（DM Radio）等即將啟動的項目，預計將顯著拓寬搜索的範圍。
在未來十年中，一系列關鍵的實驗有望首次在理論預測的大部分質量範圍內對WIMP和QCD軸子進行檢驗。理論框架已經確立，實驗計劃也已就緒。因此，我們或許可以「躺平」一陣，因為這些理論和實驗結合的策略很有可能為我們找到正確的答案。
無窮的可能
無數理論都試圖描述暗物質如何才能解釋現在的宇宙，但每一種理論都引入了不同的粒子和相互作用來實現這一點。理論家已經詳盡地勾勒出哪些設想可能具有實現的潛力，哪些則與觀測不符。許多可行的假設與WIMP或軸子理論有着驚人的差異。例如，有些假設涉及的暗物質並非基礎粒子，而是由更小單元組成的聚合體，類似於由不同暗粒子組成的暗物質原子。
如果暗區確實存在，我們則需要開發新的實驗技術來探尋其蹤跡。例如，傳統的WIMP探測器對質量遠輕於原子核的暗物質粒子不敏感，因為它們觀測的是由入射暗物質對原子核產生的強烈「撞擊」。新興技術可以尋找電子（比質子輕約2000倍）被撞擊的跡象，或者用更具創造性的方法來檢測暗物質向常規粒子傳遞的微小能量。近期，超靈敏量子傳感器的問世或許能為此提供助力。
即便探測不到暗物質的信號，我們也能通過它的引力效應不斷深化對它的理解。目前以及未來的尖端觀測設備，將以前所未有的精度和深度，對恆星及遙遠星系的分佈進行細緻的測量。技術革新的浪潮滾滾而來，精密宇宙學與人工智能領域的迅速發展，有助於我們從這些數據中挖掘出儘可能多的信息。這有望為揭示暗物質的基本屬性提供新的線索，豐富我們在實驗室研究中所得的知識體系。
在所有關於「斯諾馬斯進程」的討論之後，物理學界決定採取一種均衡策略。我們計劃深入探究我們最為偏好的暗物質理論，同時，也將開展廣泛但相對淺表的搜尋，以期探索並涵蓋儘可能多的可能性。
如果我們幸運的話，這些實驗中的某一個將能夠做出明確的發現。一旦這種情形發生，它將引發範式轉變。廣泛的多樣化搜索將塌縮、聚焦到特定的信號，我們將會規劃未來的實驗，更深入地探究其本質。同時，此發現還將促使理論家去研究如何將暗物質與我們已知的其他粒子體系相融合，進而構建更為宏大的圖景。
但如果這些實驗都沒有發現暗物質信號怎麼辦？也許參與十年後的下一次「斯諾馬斯進程」的物理學家將不得不使用零結果來為未來的搜尋指明方向。我們不能否認這個結果會令人失望，但它仍應被視為科學探索中不可或缺的一環。科學的發展是累積的，那些告訴我們此路不通的實驗結果，與那些證實了某個理論的結果，重要性是相當的。若暗物質的面紗已被我們輕易揭開，那科學探索的激情與魅力或將大打折扣，因為那將意味着答案成為了已知。雖然我們不能確切地說何時，甚至不確定是否能發現暗物質，但宇宙的廣闊與深邃，已為我們提供了足夠的證據，它必然存在。因此，不論哪種情況，我們保持樂觀態度，相信在未來我們將對暗物質有更深刻的認識與理解。
本文節選自《環球科學》2024年10月刊文章：《暗物質的下一張尋寶圖》
