宇宙中大部分物質是看不見的。 我們可以測量這種“暗物質”對恆星和星系軌道產生的引力。我們可以看到它彎曲周圍光線的方式，並且可以探測到它對來自熱大爆炸原始等離子體的遺留光線的影響。我們已經以精湛的精度測量了這些訊號。我們有充分的理由相信暗物質無處不在。然而，我們仍然不知道它是什麼。
幾十年來，我們一直在嘗試在實驗中探測暗物質，但徒勞無功。也許我們的首次探測就在眼前。但漫長的等待促使一些暗物質獵手想知道，我們是否找錯了地方或用錯了方法。許多實驗工作都集中在少數幾種可能的暗物質身份上——那些似乎有可能同時解決物理學中其他問題的身份。然而，並不能保證這些其他難題和暗物質困境是相關的。越來越多的物理學家承認，我們可能不得不尋找更廣泛的可能解釋。問題的範圍既令人生畏又令人興奮。
與此同時，我們開始努力接受一個令人清醒的想法，即我們可能永遠無法確定暗物質的本質。在暗物質 Hunting 的早期，這種想法似乎很荒謬。我們有很多好的理論和大量的實驗選項來檢驗它們。但簡單的道路大多已被走過，暗物質已被證明比我們想象的更加神秘。暗物質完全有可能以當前實驗不適合檢測的方式表現——甚至完全忽略普通物質。如果它不透過引力以外的任何機制與標準原子相互作用，那麼在實驗室中檢測到它幾乎是不可能的。在那種情況下，我們仍然可以希望透過繪製其在整個宇宙中的存在來了解暗物質。但有可能暗物質將被證明如此難以捉摸，以至於我們可能永遠無法理解其真正的本質。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來有關塑造我們今天世界的發現和想法的有影響力的故事。
2022年 8 月一個溫暖的夏日傍晚，我們與幾位其他物理學家聚集在華盛頓大學的一張桌子旁。我們聚集在那裡討論“雪堆過程”的最終成果，這是美國粒子物理學界每十年左右進行一次的研究，旨在就未來研究的優先事項達成一致。我們的任務是總結暗物質搜尋的進展和潛力。傳達解釋暗物質的可能性數量之多，以及探索這些可能性的許多想法，這項工作讓人感到 daunting。
我們正處於探索暗物質的特殊時刻。自 20 世紀 90 年代以來，成千上萬的研究人員已經詳盡地搜尋了可能構成暗物質的粒子。到目前為止，他們已經排除了許多最簡單、最容易的可能性。儘管如此，大多數物理學家仍然相信暗物質是存在的，並且代表某種獨特的物質形式。
一個沒有暗物質的宇宙將需要對我們目前理解的引力定律進行驚人的修改，這些定律是基於愛因斯坦的廣義相對論。以一種避免對暗物質的需求的方式更新該理論——要麼透過在保持相同底層框架的同時調整廣義相對論的方程，要麼透過引入某種取代廣義相對論的新的正規化——似乎異常困難。
這些改變必須模仿暗物質在天體物理系統中的效應，從巨大的星系團到銀河系最小的衛星星系。換句話說，它們需要應用於距離和時間的巨大尺度範圍，而不會與我們收集到的關於引力如何工作的其他精確測量結果相矛盾。這些修改還需要解釋，如果暗物質只是對引力的修改——引力普遍與所有物質相關聯——為什麼並非所有星系和星系團都似乎包含暗物質。此外，最複雜的嘗試制定自洽的修正引力理論以解釋暗物質最終還是會呼叫一種暗物質，以匹配我們在宇宙微波背景中觀察到的漣漪，即來自大爆炸的遺留光。
暗物質問題的範圍既令人生畏又令人興奮。
相比之下，假設一種新的物質型別，它根本不與光相互作用，這是一個簡單的想法。事實上，我們已經有了這種暗物質的一個例子，即中微子——幾乎沒有質量的粒子，它們無處不在，但很少與其他物質相互作用。只是我們已經知道中微子不能解釋宇宙中大部分暗物質。它們最多隻能佔其中的 1%。
那麼，其他 99% 呢？暗物質會是發現冰山一角的尖端嗎？是粒子物理學標準模型之外的一個或多個新粒子的首次揭示嗎？暗物質會感受到已知粒子沒有感受到的新力（就像暗物質似乎沒有感受到電磁力一樣）嗎？或者它會與自然界的新基本原理聯絡起來嗎？暗物質能否解決標準模型中經過良好測量的物理學中潛伏的突出難題？或者它能否揭示宇宙歷史的最初時刻？目前，所有這些問題的答案都是明確的“可能”——但這種發現的潛在力量推動我們前進。
暗物質身份最流行的兩個提議是弱相互作用大質量粒子 (WIMP) 和量子色動力學 (QCD) 的軸子。這些想法塑造了理論家們思考暗物質的方式，並啟發了許多尋找暗物質的實驗。
WIMP 是假設的穩定粒子，其質量與標準模型中的粒子相當。質子的質量略低於 1 GeV/c²，大多數 WIMP 搜尋都集中在 10 到 1,000 GeV/c² 的質量範圍內。（粒子物理學家發現使用愛因斯坦的 E = mc2 以能量單位測量質量很方便。）WIMP 的經典版本是一種新粒子，它直接與已知攜帶弱核力的 W 和 Z 玻色子相互作用（因此 WIMP 中的“W”）。這種粒子自然地出現在超對稱模型中，其中每個已知的粒子都有一個更重的對應物，稱為超對稱夥伴。十年前，我們的領域希望日內瓦附近的大型強子對撞機能夠找到超對稱夥伴，但我們沒有這樣的運氣。如果超對稱存在，那麼超對稱夥伴必須比我們最初預期的更重。此外，儘管許多版本的超對稱預測了 WIMP 暗物質，但反之則不然；即使在沒有超對稱的宇宙中，WIMP 也是可行的暗物質候選者。
蒂姆·M·P·泰特和珍·克里斯蒂安森
許多物理學家喜歡 WIMP 想法的原因之一是，這些粒子自然會在宇宙中產生與我們觀察到的相同數量的暗物質。正如人們所認為的那樣，當宇宙比現在小、稠密和熱得多時，即使是弱相互作用也足以在已知粒子碰撞時產生 WIMP。類似的反應也以相反的方式發生——當 WIMP 碰撞時，它們會產生普通粒子。如果大爆炸最初沒有產生 WIMP，那麼已知粒子也會製造出它們。而 WIMP 的碰撞將其能量轉化為已知粒子，這將摧毀大部分 WIMP，只留下殘餘丰度。例如，質量約為希格斯玻色子的 WIMP 將產生正確數量的暗物質。這種機制簡單而有吸引力。
WIMP 吸引了許多實驗人員，因為它們必須與已知粒子顯著相互作用——這就是它們如何獲得正確數量的暗物質的原因。有三種經典方法可以搜尋 WIMP：對撞機實驗，我們希望透過碰撞標準模型粒子以產生暗物質來重現早期宇宙的條件；直接探測實驗，它使用極其靈敏的探測器來尋找可見粒子在受到暗物質粒子撞擊時“跳躍”；以及間接探測，我們向太空望去，尋找暗物質粒子相互碰撞和湮滅時產生的熟悉粒子。特別是第三種方法，完全測試了在宇宙中設定 WIMP 丰度的相同破壞性過程。因此，如果這些反應今天的行為方式與它們在早期宇宙中的行為方式相同，那麼我們對它們發生的頻率有一個明確的預測。對於前兩種方法，預測不太明確。在對撞機搜尋中，我們探測 WIMP 的能力取決於它們的質量有多大：更重質量的 WIMP 可能需要比對撞機可提供的能量更多的能量才能產生。而在直接探測中，我們不知道 WIMP 會多久撞擊普通粒子。
天體物理學觀測——間接探測——已經揭示了幾種可能暗示暗物質湮滅的訊號，但對於我們所看到的，也有更平凡的解釋。例如，銀河系中心 GeV 過剩是來自銀河系中心的伽馬射線光芒；它的速率和能量都恰到好處，可以成為 WIMP 湮滅訊號。它是在 2009 年發現的，那麼為什麼我們還沒有宣佈勝利呢？不幸的是，我們知道某些旋轉的中子星可以產生能量相似的伽馬射線，而且這種過剩很可能是新星族的首個跡象。我們希望這個問題將在未來幾年內得到解決：在直接探測或對撞機實驗中找到對應的訊號將支援暗物質解釋，而發現來自中子星在其他波長處的輻射將排除這種解釋。
在未來十年左右，未來的大型伽馬射線望遠鏡（例如在智利和西班牙建造的切倫科夫望遠鏡陣列和計劃在南美洲某地建造的南方寬視場伽馬射線天文臺）可以測試 WIMP 機制，以產生高達其可行最高質量的暗物質。然而，即使我們沒有觀察到暗物質湮滅，也存在可以挽救 WIMP 理論的漏洞。在某些模型中，在早期宇宙中產生 WIMP 的湮滅過程在稍後時間會關閉。然而，在這些情況下，WIMP 通常仍應在對撞機實驗和直接探測中出現。
如果我們問“暗物質可能是什麼？”，可能性幾乎是無限的。
直接探測實驗在提高其對罕見事件的靈敏度方面取得了驚人的進展。在 10 年內，下一代實驗可能會非常靈敏，以至於它們將開始探測到來自太陽並穿過探測器的中微子。在我們達到那個點之前，沒有其他過程可以偽裝成暗物質，也沒有看似無法克服的技術挑戰阻礙著我們。仍然有許多簡單的 WIMP 模型可能在這個範圍內出現。
QCD 軸子是一種非常不同的暗物質候選者，直到最近，我們還沒有幾乎相同的能力來測試它。與 WIMP 一樣，它將是一種新的基本粒子，儘管要小得多：軸子比任何已知的粒子（甚至中微子）都輕得多。如果這些粒子存在——無論它們是否構成所有暗物質——它們都可以解決我們對將原子核結合在一起的強力的長期存在的難題。此外，軸子理論做出了獨特的預測：如果你知道軸子的質量，你就可以估計它與已知粒子的相互作用有多強。不幸的是，這些相互作用取決於軸子的質量，對於較輕的軸子來說，這些相互作用可能非常微弱。
儘管如此，軸子相互作用可能會產生驚人的效果，因為要解釋暗物質，它們必須非常豐富，以至於它們會表現為波而不是單個粒子。根據量子力學，每個基本粒子也是一個波，並且具有與其質量成反比的關聯波長。在小於此波長的尺度上，粒子的經典圖景崩潰了。軸子非常輕，以至於我們可以預期在與地球上實驗的典型尺寸相當的距離上看到這種量子效應。
由於 QCD 軸子預計與普通物質的相互作用非常微弱，因此很少有實驗尋找它們，並且它們僅在可能的質量範圍的一小部分中進行了搜尋。然而，新的探測策略和量子感測器技術為在多個數量級的質量範圍內尋找 QCD 軸子開闢了前景。長期執行的實驗的最新版本稱為 ADMX-G2 非常靈敏，而 DMRadio 等即將到來的專案有望大大擴充套件搜尋範圍。
在未來十年中，戲劇性的實驗進展將首次在 WIMP 和 QCD 軸子的自然質量範圍的大部分範圍內進行測試。理論基礎已經奠定，實驗計劃也已到位。我們可以就此打住——這些策略很有可能會給我們解決方案。
然而……即使 WIMP 和軸子都是美好的想法，也不能保證宇宙符合我們的審美偏好。如果我們問，“暗物質可能是什麼？”，可能性幾乎是無限的。
一個完整的理論體系設法描述了暗物質解釋宇宙所需做的一切，但每個體系都呼叫不同的粒子和力來實現它。理論家們已經徹底繪製了哪些想法有可能奏效，哪些想法與觀測結果不一致。許多可行的假設與 WIMP 或軸子截然不同。例如，有些假設包括由許多較小的成分組成的巨大聚合物體——類似於由不同暗粒子組成的暗物質原子。
暗物質粒子可以有多小是有限制的。如果它們比軸子輕得多——比電子質量輕約 25 個數量級——它們的波長可能接近星團或小星系的大小。如果是這種情況，暗物質的分佈及其引力足跡將在可觀測方面有所不同。
質量範圍的另一端呢？我們可以直接觀測到的最小暗物質團塊是太陽質量的數千萬倍。單個暗物質粒子應該比這小，但小多少呢？如果暗物質是由緻密的暗物體組成的——通常稱為大質量緻密暈暈物體 (MACHO)，作為對 WIMP 的半開玩笑的對比——那麼它們的引力可能會偏轉光線並在它們以我們能看到的方式猛衝穿過星系時擾亂軌道。MACHO 可以採取微型黑洞的形式，誕生於大爆炸後的最初時刻。這些黑洞不會由恆星形成——因為暗物質早於恆星——並且可能比太陽輕得多。這些黑洞能夠解釋所有暗物質的唯一方法是，如果它們的質量與我們太陽系中的小行星質量大致相同，大約在 1000 億到 100,000 萬億公噸之間。這將使它們的單個質量為月球質量的千分之一，使它們比最小可能的暗物質粒子重 75 個數量級。（相比之下，我們可觀測宇宙的半徑與質子半徑之比僅約為 41 個數量級。）這需要覆蓋相當多的範圍。
而在這兩個極端之間的廣闊區域中，我們有很多選擇。早期宇宙中可能產生 WIMP 的過程也適用於許多其他粒子。如果暗物質比質子輕，並且透過這種機制誕生，那麼它可能只是居住在物理學“暗區”中的許多新粒子之一。這些其他粒子通常是不穩定的，因此太空中很少有它們。然而，它們可能會出現在粒子加速器中，特別是如果它們也相對較輕。輕暗物質和暗區也可能存在，而無需依賴 WIMP 機制來產生正確數量的暗物質——關於如何產生觀測到的暗物質丰度，還有無數其他可能性。
如果暗區存在，我們需要新的實驗方法來找到它。例如，一旦暗物質比原子核輕得多，經典的 WIMP 探測器就會失去靈敏度，因為它們尋找的是入射暗物質對原子核的強烈“踢”。新技術可以尋找電子（比質子輕 2,000 倍）被踢的跡象，或者使用更具創造性的策略來探測暗物質到標準粒子的微小能量轉移。最近超靈敏量子感測器的出現可能會有所幫助。
我們知道搜尋如此廣泛的可能性範圍的唯一方法是建造許多小型實驗，每個實驗對不同型別的暗物質敏感，而不是將我們的資源集中在少數幾個大型專案上。我們還可以使用這些小型實驗來開發新技術並嘗試新穎的想法；如果其中一種策略被證明是強大的，或者檢測到可能是暗物質初步跡象的東西，那麼我們可以將其擴大規模。
太空中的間接探測搜尋已經跨越了巨大的能量尺度範圍。如果暗物質緩慢衰變成可見粒子，其典型壽命長達當前宇宙年齡的十億倍，那麼我們現在就會知道許多可能的暗物質質量。例如，我們可以使用這種搜尋來測試原始黑洞；這就是我們知道如果黑洞構成所有暗物質，它們就不能輕於大約 1000 億公噸（較輕的黑洞衰變更快）的原因。
即使我們沒有看到訊號，我們也將繼續透過繪製暗物質在太空中的引力來更多地瞭解暗物質。當前和即將到來的儀器將以驚人的精度和深度測量恆星和遙遠星系的分佈。精密宇宙學和人工智慧的發展正在推動技術進步，以幫助我們儘可能多地從這些資料中收集資訊。這些觀測結果可以為暗物質的基本性質提供新的線索，這將補充我們在實驗室中可以學到的知識。
在所有雪堆討論之後，物理學界選擇採取平衡的策略。我們計劃深入研究我們最喜歡的暗物質理論，同時也要廣泛搜尋（在較淺的層面上）以探索儘可能多的可能性。
如果我們幸運的話，其中一項實驗將做出明確的探測。一旦發生這種情況，它將引發正規化轉變。廣泛而多樣的搜尋將崩潰，轉而關注該訊號，我們將計劃未來的實驗以更好地理解它。一項發現還將促使理論家研究如何將暗物質與我們熟悉的粒子動物園的其餘部分聯絡起來的更大圖景。
但是，如果所有這些實驗都沒有找到訊號怎麼辦？也許大約十年後的下一次雪堆過程中的物理學家將不得不使用無效結果來規劃未來搜尋的方向。我們不能否認這個結果會令人失望，但它仍然可以算作一項重大成就。科學一步一步向前發展，那些教會我們不要在何處尋找下一個見解的結果與那些證實特定想法正確的結果同樣重要。如果我們能夠確定地預測暗物質最終會是什麼，那就意味著我們已經知道答案，這讓我們的工作變得不那麼令人興奮。儘管我們無法確切地說出我們何時甚至是否會找到暗物質，但我們知道宇宙中充滿了暗物質。我們樂觀地認為，未來幾年的探索將引導我們更深入地瞭解暗物質的本質。