迄今为止,搜寻暗物质的实验都折戟沉沙。尽管科学家们仍在继续努力,但也有人指出,我们或许应该另辟蹊径,转移重点,重新审视其他已被排除或不占主流的与暗物质有关的理论。
自从天文学家们意识到,宇宙中的大多数物质都是看不见的,他们便开始忙碌起来。从上世纪80年代起,科学家们建造、使用了一系列越来越先进的探测器,来寻找这种无处不在但又行踪飘忽的物质—暗物质。暗物质约占整个宇宙总物质的84%,是将星系结合在一起的主要力量,今天宇宙中的恒星、星系以及星系团都在暗物质引力的影响下形成,但由于其既不吸收光也不释放光,因此,很难被探测到。迄今为止,即使最前沿的实验,也没有发现暗物质的任何蛛丝马迹。
要是在接下来的几年内,这些实验还是无法搜寻到暗物质粒子,科学家们可能就不得不转移研究重点了,比如,重新审视那些曾被认为不可能而惨遭排除的暗物质候选者;再次考虑一些不那么令人满意的想法,比如,暗物质可能由某些不可能被探测到的物质组成等等。
WIMPs暂时“出局”
弱相互作用重粒子(WIMPs)一直被科学家们认为是暗物质粒子的候选者,部分原因在于,它与物理学其他目前广为流行的理论(比如超对称理论)等非常吻合。超对称理论认为,宇宙中所有粒子都有一个迄今未被发现的“伴侣”粒子,而这些具有超对称性的粒子中,最轻的是WIMPs,宇宙中的暗物质或许由其组成。自上世纪80年代以来,科学家们一直希望能从一些非常罕见的情境(在此情境下,暗物质粒子会与普通粒子相互作用)探测到这种粒子的踪迹,但都以失败告终。
最近一个对WIMPs搜寻未果的项目,是世界上最先进的暗物质搜寻器—位于美国南达科他州的“大型地下氙探测器(LUX)”。虽然WIMPs踪迹难觅,但在LUX里容纳着370千克液态氙的贮存槽中,某个氙原子应该也能偶尔同它们中的一两个相撞,并产生一个可以探测到的特征光信号。然而,LUX运行三个月后,2013年10月30日,科学家宣布,LUX实验无果而终,暂时排除了WIMPs作为暗物质候选者的可能。
如果WIMPs确实存在,它们应该无处躲藏。据英国《自然》杂志网站报道,LUX项目发言人、美国布朗大学的理查德·盖茨克尔说:“我们正在慢慢接近目标。”盖茨克尔介绍道,到目前为止,在科学家预测的弱相互作用重粒子的可能种类中,有一大半已经被排除了。该组科学家希望再接再厉,于2014年制造一台灵敏度高1000倍的类似探测器,继续搜寻暗物质。 在接下来的5到10年内,大部分WIMPs研究应该会落下帷幕,只有两个结果:要么终于发现了这种粒子;要么彻底排除了其是暗物质粒子的可能性。
但如果暗物质粒子不是由WIMPs组成,那怎么办呢?
轴子走上前台
另一种被科学家们经常提到的暗物质粒子候选者是轴子(axion),核理论预测,轴子能使神秘的暗物质聚集在一起。轴子比WIMPs轻,与普通粒子相互作用的频率更低,因此也更难探测,所以,迄今为止只有一个大型研究项目研究轴子,而有15个研究项目搜寻WIMPs。
“人们没怎么听说过轴子,因为探测到他们的难度更大。”美国斯坦福大学的物理学家彼得·格雷厄姆说。尽管轴子不受重视,但其背景却极硬:其存在有坚实的理论基础;也很容易用其来解释宇宙中的暗物质为何如此丰富。
“我并不知道轴子为何会在暗物质粒子候选对象排行榜上屈居亚军。”美国华盛顿大学的莱斯利·罗森伯格如是表示,他是轴子暗物质实验(ADMX)项目的负责人。罗森伯格说:“就我个人的观点来看,我会将轴子放在第一位,而将WIMPs排在第二位。”
ADMX项目始于1995年,但迄今为止也没有发现轴子暗物质的信号。罗森伯格表示,他们已经于最近展开了一项灵敏度更高的实验,在未来三年内,这一实验要么能发现轴子;要么证明其根本不存在。
其他可能性也不容小觑
随着科学家们对WIMPs和轴子的研究慢慢接近尾声,且还未见任何成功的迹象,越来越多理论学家们开始考虑其他可能性。有些科学家认为,弥漫在宇宙中数量众多的小型黑洞或许可用来解释暗物质,比如,英国科学家史蒂芬·霍金提出的小黑洞概念认为,暗物质的“原子”由小黑洞以及围绕小黑洞运动的中微子构成。但有针对性的天文搜寻研究仍然没有发现与这种黑洞有关的信号,不过,科学家们认为,其值得深究。
另外,尽管听起来很怪异,但奇异夸克物质-由奇异夸克(组成中子的上夸克和下夸克的怪异“堂兄弟”)组成的一种极端稠密的状态也吸引了越来越多的目光。科学家认为,夸克物质可能产生于质量非常大的中子星内,而且,由于其数量众多,它们或许组成了很多夸克星,这些夸克星并不会释放出光线,但会对普通物质施加引力拉动,因此,有科学家认为其与暗物质关系密切。
以上只是科学家用来解释暗物质的诸多理论中的一小撮。哈佛大学的访问物理学家马特·斯特拉斯说:“或许还有其他可能性不被我们所知。”
最让科学家们担心和恐惧的一种可能性是,暗物质或许由某些不可能被发现的粒子(这些粒子只通过引力同普通物质相互作用)组成。在这种情况下,科学家们更无可能在探测器内捕获到这种粒子了。盖茨克尔说:“如此一来,我们就陷入了一个非常尴尬的境地:既然我们无法探测到这些粒子,那么,我们该如何验证所提出的理论呢?”
不过,从理论角度来说,这样的粒子似乎不可能存在。格雷厄姆说:“如果一个粒子只能通过引力同其他物质相互作用,那么,我们首先就要想想,这样的粒子在宇宙中是如何产生的?轴子和WIMPs都拥有非常自然的产生机制;其数量如此丰富也有正当的理由。这也是为什么其他模型不受待见的原因。”
即使科学家们无法直接探测到暗物质粒子,他们也并不气馁。他们希望能在像欧洲的大型强子对撞机(LHC)那样的粒子加速器内,找到暗物质粒子的间接证据。当LHC通过强烈的对撞,将质子粉碎时,可能会制造出WIMPs或其他暗物质候选粒子。
另一个希望来自天文信号,比如来自于星系中央的伽马射线光等,这些信号或许有助于解释暗物质粒子的存在。已有科学家宣称发现了这样的信号,但并不确定。
大部分参与搜寻暗物质粒子的科学家都表示,他们并不关心自己的解释是否正确,只要最终得到一个解释就好。“这类实验,从来不会保证一定成功,我们所能做的只是继续尝试,回答这个最重要的科学问题。”斯坦福大学的物理学家布拉斯·卡布雷拉说,他是低温暗物质搜寻(CDMS)实验的负责人,该实验的目的也是探测WIMPs。