編者按：以下文章經The Conversation許可轉載，The Conversation 是一家報道最新研究的線上出版物。
宇宙中只有約 5% 由質子和電子等普通物質組成，其餘部分充滿了被稱為 暗物質 和 暗能量 的神秘物質。到目前為止，儘管科學家們花費了數十年的時間尋找它們，但仍未能探測到這些難以捉摸的物質。但現在，兩項新的研究可能能夠扭轉局面，因為它們已大大縮小了搜尋範圍。
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暗物質在 70 多年前首次被提出，以解釋為什麼星系團中的引力比預期的要強得多。如果星系團僅包含我們觀察到的恆星和氣體，它們的引力應該弱得多，這導致科學家們假設那裡隱藏著某種我們看不到的物質。這種暗物質將為這些大型結構提供額外的質量，增加它們的引力。該物質的主要競爭者是一種被稱為“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）的假想粒子。
為了探測暗物質的性質，物理學家尋找其引力之外的相互作用的證據。如果 WIMP 假設是正確的，則可以透過暗物質粒子在地球上的原子核或電子上的散射來探測到它們。在這樣的“直接”探測實驗中，WIMP 碰撞將導致這些帶電粒子反衝，產生我們可以觀察到的光。
目前執行的主要直接探測實驗之一是 XENON100，它剛剛 報告了其最新結果。該探測器位於地下深處，以減少來自 宇宙射線的干擾，位於義大利的 Gran Sasso 實驗室。它由一個 165 公斤的液氙容器組成，該液氙經過高度純化以最大程度地減少汙染。探測器材料被光電倍增管（PMT）陣列包圍，以捕獲來自潛在 WIMP 相互作用的光。
新的 XENON100 報告沒有發現 WIMP 從電子散射的證據。儘管這是一個負面結果，但它排除了許多所謂的 “親輕子”模型，這些模型預測暗物質和電子之間會發生頻繁的相互作用。
但 XENON100 分析最重要的結果是關於義大利 DAMA/LIBRA 實驗 的研究人員提出的有爭議的暗物質探測主張，該主張與來自許多其他探測器（如 低溫暗物質搜尋）的結果相沖突。“親輕子”暗物質被認為是對此差異的一種可行的 解釋，因為來自其他實驗的排除不直接適用。然而，來自 XENON100 的新結果堅決排除了這種可能性。
追逐變色龍
同時，暗能量解釋了我們觀察到的宇宙正在 加速膨脹。與普通物質不同，暗能量具有負壓，這使得引力具有排斥性，從而將星系推開。最有希望的暗能量候選者之一是所謂的“變色龍場”。
在許多暗能量模型中，我們期望看到在實驗室和宇宙學尺度上的顯著影響。然而，變色龍場的吸引人之處在於其影響取決於環境。在小尺度上，例如在地球上，物質密度很高，場被有效地“遮蔽”掉，使得變色龍能夠逃避我們的探測器。然而，在太空真空中，物質密度很小，場可以驅動宇宙加速。
原子干涉儀的真空室。
Holger Muller 照片
到目前為止，實驗僅使用了相對較大的探測器，由於物質密度過高而未能觀察到變色龍。然而，最近有人提出，可以在微觀尺度上執行的“原子干涉儀”可以用來搜尋變色龍。這包括一個包含單個原子的超高真空室，並模擬空曠空間的低密度條件，從而減少遮蔽。
在第二份報告中，研究人員首次實現了這一想法。他們的實驗透過將銫原子滴落在鋁球上方進行。研究人員使用靈敏的雷射，然後可以測量原子在自由落體時所受的力。結果與僅有引力而沒有變色龍引起的力完全一致。這意味著，如果變色龍存在，它們的相互作用一定比我們之前認為的要弱——與之前的研究相比，將對這些粒子的搜尋範圍縮小了一千倍。該團隊希望他們的創新技術將幫助他們在未來的實驗中找到變色龍或其他暗能量粒子。
這兩項研究都證明了實驗室實驗如何回答關於宇宙本質的基本問題。但最重要的是，它們帶來了希望，我們終有一天會追蹤到這些誘人的物質，這些物質構成了我們宇宙驚人的 95%。
Ryan Wilkinson 接受科學與技術設施委員會的資助。
本文最初發表於 The Conversation。閱讀 原文。