寻找暗物质,我们最后的希望在哪里?

作者: Joseph Silk

来源: 科研圈

发布日期: 2017-11-01

文章探讨了暗物质的探测现状及其挑战,介绍了多种探测方法和实验,并讨论了暗物质可能的性质和未来的探测策略。尽管目前实验结果多为“零收获”,但科学家们仍在不断探索新的可能性,包括通过粒子加速器和对撞机等手段。文章强调,尽管暗物质的存在尚未被直接证实,但其探测的困难也揭示了自然界中仍有许多未解之谜。

对于难以捕捉的暗物质,我们已经智穷计尽了吗?大部分天文学家相信,暗物质如同恒星、行星一般,是切实存在的。我们能够按图索骥地将它描绘出来;我们认为星系内大部分都是暗物质,中间零星点缀着“亮斑”(可见物质);我们利用暗物质来理解宇宙的结构及其演化。但是近十年来,各种设计精巧的实验都没能直接探测到暗物质。我们看到它留下的蛛丝马迹,却并不知道暗物质究竟是什么。

科学家在很早以前就排除了暗物质是某种普通物质或基本粒子的可能性。相关的理论倾向于认为,暗物质是一种与普通物质仅发生微弱相互作用的新型粒子。大量暗物质粒子整日整夜地穿过我们的星球,它们理应留下些痕迹。物理学家在实验室中培养晶体,将它们填满低温桶,并运往地底深处以屏蔽普通粒子的干扰,然后等待泄露未知粒子“行踪”的微小热脉冲和闪光的出现。不过迄今为止,结果不容乐观。

这些“零结果”将暗物质可能潜藏的参数空间限制得越来越窄。面对数据的匮乏,理论物理学家猜想,暗物质是性质更为奇特的粒子,其中大部分更难被探测到。既然暗物质探测如此困难,物理学家可以将希望转而寄托于通过粒子加速器“撞”出暗物质粒子。这样,我们就能通过检测粒子对撞中的能量消失,来推断出它们的存在。但是大型强子对撞机(LHC)已经精确地尝试过了这种方式,但目前为止依然毫无收获。

虽然大部分暗物质探测实验一无所获,但仍然有两个实验坚称,他们找到了暗物质的蛛丝马迹。由于种种原因,这两个实验的结果备受争议。它们可能是错的,但也值得深究。即便确实一无所获,这也还是说明了,在茫茫宇宙中寻找暗物质困难重重。

大部分暗物质实验致力于寻找最简单的候选粒子——大质量弱相互作用粒子(WIMPs),它是粒子物理标准模型的自然衍生品。然而,理想很丰满,现实很骨感。随着越来越多的WIMP探测实验报告“零收获”,物理学家变得越来越绝望。他们开始考虑备胎选项。

从某种意义上,我们正处于科学发展的黄金时代,旧观点被宣告无效,新观点亟待出观——也许是新粒子,也许是新的引力理论。恼人的一点在于,自然把新物理藏在一个我们找不到的地方。虽然我们在寻找WIMP的大业中尚未智穷计尽,但实验发展的空间是有限的。探测器在对暗物质越来越敏感的同时,也对其他粒子更加敏感,所以提高精确度未必能将两者区分开来。

发现暗物质粒子的最强工具也许会是新的粒子对撞机。物理学家计划在大约三十年后建造一个能量七倍于LHC的对撞机。中国和欧洲都在研究建造方案。参考LHC的造价进行粗略估计,新对撞机将耗费250亿美元(按现在的美元市值来算)。考虑到这笔花销由多个国家共同承担,并且对撞机的建造时间长达数十年,这也许是可以被接受的。但这可能已经达到了极限。

尽管我们付出种种艰辛的努力,但结局未必美好——我们可能不会发现任何暗物质粒子的信号。也许,暗物质根本就不存在。我们试图修正爱因斯坦的引力理论——广义相对论来抛弃暗物质,但迄今为止,这个理论完美地通过了各种实验检验。自2016年起,LIGO探测到的引力波信号又一次支持了广义相对论。所以,它的另一个预言——暗物质的存在也难以被推翻。

不过往好处想,暗物质探测的困难也表明,自然界仍有大量谜团等待我们去发现和探索。我们现在仍在寻找暗物质粒子。迷失在黑暗中的我们,除了前进别无他法。

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