科學家們喜歡說，陰性結果和陽性結果一樣重要，但在幾十年沒有發現任何東西之後，研究人員感到不耐煩是可以理解的。早在 20 世紀 90 年代，實驗就開始嘗試探測構成暗物質的粒子，暗物質是宇宙中普遍存在但無法觸及的隱形物質。從那時起，物理學家發現了越來越多的證據表明暗物質是真實存在的，但沒有發現這種物質本身的任何跡象。去年年底啟動的長期執行的 XENON 實驗的新版本旨在最終打破這種模式。
長期以來，物理學家對暗物質身份的最佳猜測之一是，它是由稱為 WIMP（弱相互作用大質量粒子）的粒子組成的。這些基本物質位元可能介於質子的質量和質子質量的 1,000 倍之間，並且它們僅透過引力和弱核力（控制放射性）與常規原子相互作用。但是多年來，隨著一個又一個實驗未能找到任何東西，一些熱情已經消退。“你確實開始撓頭思考，也許那是押錯了寶，”普渡大學的物理學家拉斐爾·朗說，他已經在義大利格蘭薩索國家實驗室的 XENON 實驗中工作了十多年。不過，朗說，就目前而言，他仍將賭注押在 WIMP 上，並指出實驗已經證偽了許多預測 WIMP 可能是什麼樣子的理論，但肯定不是全部。“如果你在 10 年前相信 WIMP，那麼只有一半的 WIMP 被排除在外，”他說。“另一半仍然存在。”
洋蔥層： XENONnT 實驗的結構像洋蔥一樣，具有多層結構，以防止可能模仿暗物質的無關粒子進入。第一層是地下格蘭薩索實驗室頂部的山脈，它可以阻止大部分來自太空的宇宙射線，這些宇宙射線可能會汙染結果。下一層是一個大約 10 米 x 10 米的水箱，它環繞著內部結構，阻擋了大部分從實驗室周圍的牆壁和岩石中的放射性釋放出來的粒子。水箱內是中子否決系統，它也將充滿水，此處從內部顯示。巢狀在內部的是一個白色的圓柱形外部低溫恆溫器——本質上是一個保溫瓶——它包含一個內部低溫恆溫器。內部低溫恆溫器環繞著探測器本身，探測器內部充滿了液態氙。
圖片來源： 恩里科·薩凱蒂
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當然，還有許多其他暗物質候選者。另一個主要競爭者是軸子，一種理論上輕得多的粒子，最近演變成一個稱為類軸子粒子的流動類別。一些科學家對暗物質可能是複合粒子的想法感到興奮——“暗夸克”和“暗膠子”的聚合物，它們像常規夸克和膠子一樣粘合在一起形成“暗核”。暗物質也可能根本不是粒子。仍在考慮中的一個想法是，缺失的物質是由大爆炸後不久形成的原始黑洞組成的。
最新版本的 XENON 實驗 XENONnT 於去年開始收集資料。它的目標是在極少數情況下捕捉到暗粒子，即它們可能撞擊到常規原子的時候。這種情況下的原子是氙——8.3 公噸，以液態形式儲存在埋在一英里岩石下的巨型容器中，以遮蔽宇宙射線和其他汙染。氙擁有 54 個質子和電子，甚至更多的中子，是暗物質撞擊的良好、密集的目標。如果外來粒子撞擊氙核，它可能會將原子核或電子擊飛到液體中，產生閃光，容器頂部和底部的光電倍增管可以探測到閃光。這個最新版本的實驗包含的氙是以前版本的四倍，這意味著它看到訊號的可能性是以前版本的四倍。
映象：光電倍增管排列在水箱內壁，水箱覆蓋著反射箔，形成雙重影像。光學儀器足夠靈敏，可以探測到粒子相互作用釋放的單個光子。在這種情況下，該管的設計目的是觀察μ子的訊號，μ子可能會作為宇宙射線滲透到實驗中。略有不同的光電倍增管排列在中子否決層和最內層探測器內壁。
圖片來源： 恩里科·薩凱蒂
其他升級包括改進氙的純化和更好的系統，以檢測宇宙射線以及實驗及其外殼中微量的放射性元素，這些放射性元素可能會偽裝成暗物質訊號。“探測器上的每個螺母和螺栓都是用精心挑選的材料手工定製的，”朗說，“因為如果你只是在五金店買一個不鏽鋼螺栓，它的放射性對於我們的需求來說太高了。”
對於外面的世界來說，多年來沒有發現成果的艱苦工作可能會讓人感到失望，但物理學家對此的看法不同。“如果你以它是否探測到暗物質來評判，他們沒有，但在社群眼中，這是一個非常成功的實驗，”歐洲核子研究中心的理論物理學家多蘿塔·格拉博夫斯卡說，她不是該專案的成員。她說，它的成功在於它排除了許多可能性以及它所達到的不斷提高的靈敏度。
最終檢查：一名技術人員對未注水的水箱進行最後一次清掃。XENONnT 實驗將執行五年，然後達到其設計靈敏度。到那時，它要麼已經發現了 WIMP，要麼已經排除了桌面上仍然存在的理論 WIMP 可能性的三分之二以上。一個名為 LUX-ZEPLIN (LZ) 專案的類似實驗正在南達科他州進行。這兩個實驗使用略有不同的設定，如果其中任何一個實驗看到新粒子的訊號，它們將成為彼此重要的檢查。
圖片來源：恩里科·薩凱蒂
現在，尋找 WIMP 的工作正處於轉折點。在相對不久的將來，地下暗物質實驗將搜尋他們可以達到的絕大部分理論領域。如果他們沒有找到 WIMP，這可能意味著它們不存在，或者可能僅僅意味著它們採取了某種設法逃脫注意的形式。但科學家們足智多謀——他們可以想到關於暗物質可能是什麼的新想法，以及比他們建造探測器更快的新搜尋方法。“在識別探測暗物質候選者的新方法方面，存在著許多興奮和創造力，”加州大學聖地亞哥分校的理論物理學家童豔林說。她研究的一個想法涉及使用晶體來捕捉暗粒子。以晶體形式，諸如矽之類的元素可能會以比傳統探測器更低的能量記錄與暗物質的相互作用，從而開闢一條新的發現途徑。
儘管暗物質已被證明比一些人最初希望的更難以捉摸，但物理學家遠未放棄。“很多人對科學的看法就像《星際迷航》一樣，”加州大學歐文分校的理論物理學家蒂姆·泰特說。“你看到一些東西，拿出三錄儀，然後得到答案。但它實際上是一個非常混亂的過程，你嘗試很多事情，直到你找到有效的東西。所有無效的東西都是這個過程的重要組成部分。”