黑暗中的光亮
專欄
作者：苗千
很少有其他難題如同“暗物質”之謎一樣，深深地困擾宇宙學家和粒子物理學家們長達80年的時間，卻幾乎沒有任何進展。以量子力學和廣義相對論為根基的現代物理學使人類對於整個宇宙及自身的理解都達到了前所未有的高度，粒子“標準模型”也幾乎涵蓋了目前人類所發現的所有基本粒子，但是另外一個事實卻足以令物理學家們感到沮喪：目前人類認識到的所有“普通物質”隻占到整個宇宙的4%，而對於宇宙中其他更為重要的組成部分，我們對其卻幾乎仍然是一無所知。
1933年，瑞士天文學家弗裏茨·茲威基（Fritz Zwicky）在進行天文學觀測時，通過星係旋轉的速度首先推斷出暗物質的存在，自此這種神秘的物質就開始深深地困擾著人類。根據目前人類的理解，除了已知的“普通物質”，宇宙中更為重要的組成部分分為“暗物質”和“暗能量”兩類，其中暗能量占到宇宙構成的73%，這也正是我們的宇宙正在加速膨脹的原因；而暗物質占到宇宙的23%，對於這種總質量幾乎為普通物質6倍的神秘物質，人類在得知它的存在80年之後，對它的了解仍然大多存在於理論假設。粒子物理學家們假設暗物質與普通物質類似，都是以基本粒子的形式構成，由此也就形成了各種假說，並且引發世界上各實驗室探測暗物質粒子的熱潮。
如同稱呼一個對其一無所知的人為“神秘人物”一樣，“暗物質”甚至也不能被算作是這種物質真正的名稱，而隻是代表了它的一個特性——它幾乎無法被人類所直接探測到。在人類已知的四種相互作用形式中，暗物質似乎不參與其中的電磁相互作用和強相互作用，它似乎隻受到引力製約，並且在極少情況下參與弱相互作用。因為它不吸收或者發射光子，因此人類無法直接觀測到暗物質的存在，隻能通過天文學的觀測，利用引力作用的計算來間接證明暗物質的存在。
隨著希格斯玻色子被發現，描述基本粒子的“標準模型”也就基本完成，但是在這個模型中卻並沒有暗物質粒子的一席之地，暗物質研究也就隨之成為粒子物理學研究的焦點。為了探測暗物質粒子，全世界的粒子物理學家可謂上窮碧落下黃泉，在各個深藏地下的實驗室中安置暗物質探測器。在目前研究暗物質的各種假說中，粒子物理學家們普遍接受一種名為“大質量弱相互作用粒子”（WIMP）的目前僅存在於假想中的基本粒子，作為暗物質粒子的最主要候選者，這種相對於普通粒子（比如質子）極重又幾乎不與其他物質發生相互作用的粒子如果存在，則有可能被直接探測到。
在意大利的格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory），1400米岩石覆蓋的地下，在這裏工作的粒子物理學家們布置了最新的暗物質探測器DarkSide50。通過實驗室上麵上千米的岩石層可以保證暗物質探測不受到各種高能宇宙射線轟炸的幹擾。DarkSide50探測器主要由一個巨大的容器組成，這個球形容器裏麵存放著50公斤的液氬，同時外層又被氣態氬所包裹。如果暗物質是以大質量弱相互作用粒子的形式存在，那麼這種粒子就可能在極其罕見的情況下與氬原子核發生相互作用，因為與大質量弱相互作用粒子發生相互作用而得到能量的氬原子核則可能通過發出一個光子來釋放這種多餘的能量。因此，在理論上，如果探測到被氬原子核釋放的光子，就可以作為探測到暗物質粒子的證據。但是至今為止，觀測DarkSide50探測器的科學家們還沒有發現這種信號。
地球上還有好幾個類似於格蘭薩索實驗室這樣深埋在地下的暗物質探測器，但是直到目前，幾乎都沒有任何值得信賴的暗物質粒子探測結果出現。同樣位於格蘭薩索實驗室的XENON100暗物質探測器，是通過62公斤的高純度液氙來探測暗物質粒子可能產生的微弱信號，可是它在一年多的時間裏也隻發現了兩個讓觀測的物理學家們難以確定身份的信號（這些信號有可能來自暗物質粒子，也有可能來自背景輻射）。位於美國達科他州一個金礦下麵的LUX暗物質探測器，同樣在等待著暗物質粒子出現的確切信號。中國團隊也加入了探索暗物質的行列，在四川錦屏山2500米厚的岩石覆蓋下的實驗室裏，一組粒子物理學家們正在進行著PandaX暗物質探索計劃，這個目前人類最深的地下實驗室擁有極好的條件進行暗物質探測。但是直到現在，這些暗物質探測器仍然沒有得到來自暗物質粒子的確切信號。