即使經過數十年的搜尋，科學家們仍然沒有觀察到暗物質粒子。 存在這種物質的證據幾乎是無可辯駁的，但仍然沒有人知道它是由什麼構成的。 幾十年來，物理學家們一直希望暗物質是重質量的——由所謂的弱相互作用大質量粒子（WIMP）組成，這些粒子可以很容易地在實驗室中檢測到。
然而，由於多年來的仔細搜尋沒有明確的 WIMP 跡象出現，物理學家們一直在擴大他們的探索範圍。 隨著新的、更精確的實驗加速資料收集，研究人員正在重新評估關於質量小於質子的暗物質粒子如何在探測器中出現的理論。 今年早些時候釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上的兩篇論文是這些轉變的代表。 它們是首次提出探測器可以發現等離子體激元（電子在材料中一起移動的集合體），而這些等離子體激元是由暗物質產生的。
第一項研究是由費米國家加速器實驗室（Fermilab）（位於伊利諾伊州巴達維亞）、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和芝加哥大學的一組暗物質研究人員進行的。 他們提出，低質量暗物質可能會產生等離子體激元——他們聲稱一些探測器可能已經在觀察到。 受第一篇論文的啟發，加州大學聖地亞哥分校的物理學家童顏林和喬納森·科扎祖克 計算出低質量暗物質在探測器中產生等離子體激元的可能性。
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“我們正在尖叫，‘等離子體激元，等離子體激元，等離子體激元！’，因為這是一個引人注目的、現有的現象，我們認為它可能與解釋暗物質實驗有關，”費米實驗室和芝加哥大學卡弗裡宇宙物理研究所的暗物質理論家、第一項研究的合著者戈爾丹·克尼亞伊奇說。 粒子物理學家和天體物理學家已經推測如何探測低質量暗物質近十年了。 但他們以前沒有考慮過尋找等離子體激元（化學家和材料科學家更熟悉）作為其特徵。
耶路撒冷希伯來大學的理論物理學家約尼特·霍赫伯格說：“我認為這很棒”，她向克尼亞伊奇的團隊提供了反饋，但沒有直接參與任何一篇論文。 “我認為，可能產生影響但尚未被考慮到的[等離子體激元]這一事實，是非常重要的一點，確實值得進一步研究。”
其他研究人員對第一篇論文持更加懷疑的態度。 加州理工學院的暗物質理論家凱瑟琳·祖雷克說，這項研究“根本無法說服我”，她沒有參與任何一篇論文。 “我只是不明白這是如何奏效的。”
第一篇論文的合著者、費米實驗室和卡弗裡宇宙物理研究所的暗物質實驗學家諾亞·庫林斯基對物理學家的批評處之泰然。 “我們向他們發起了挑戰，要求他們證明我們是錯的，我認為這對這個領域來說是非常健康的。 而這正是他們應該努力做的事情，”他說。
走到一起
尋找一種看不見的、幾乎沒有痕跡的物質通常是這樣的：為了探測暗物質粒子，物理學家們會獲得一種材料，將其放置在地下深處，連線到儀器上，並希望看到訊號。 具體來說，他們希望暗物質會撞擊探測器，產生電子、光子甚至熱量，而他們的儀器可以觀察到這些。
暗物質探測背後的理論可以追溯到 1985 年的一篇論文，該論文考慮瞭如何將中微子探測器重新用於尋找該物質的粒子。 該研究提出，入射的暗物質粒子可能會撞擊探測器中的原子核並給它一個踢力——類似於一個檯球撞擊另一個檯球。 這種碰撞將從暗物質傳遞動量，猛擊原子核，使其噴射出一個電子或一個光子。
在高能量下，這個圖景基本上是好的。 探測器中的原子可以被認為是自由粒子，離散且彼此不連線。 然而，在較低能量下，情況會發生變化。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的暗物質理論家、第一篇論文的合著者約納坦（約尼）·卡恩說：“你的探測器不是由自由粒子製成的。” “它們只是由物質製成的。 如果你想了解你的探測器實際上是如何工作的，你必須瞭解這些物質。”
在探測器內部，低質量暗物質粒子仍然會傳遞動量。 但它可能不會打散一排檯球，而是可能導致它們搖晃。 換句話說，它的作用更像是一個乒乓球。
林說：“當我們轉向更低的暗物質質量時。 其他更微妙的影響開始發揮作用。” 這些微妙的影響包括物理學家喜歡稱之為“集體激發”的東西。 當幾個粒子同時移動時，它們可以被描述為一個單一的實體，就像聲波是由無數振動的原子組成的一樣。
當一群電子經歷這樣的運動時，就會發生等離子體激元。 當一群原子核振動時，它們的集體激發被稱為聲子。 天體物理學家和研究暗物質的高能物理學家通常認為這些現象是不相關的。
但正如已故諾貝爾獎獲得者物理學家菲利普·安德森曾經打趣道，“更多是不一樣的”——這指的是新穎的效果會在不同的尺度上出現。 例如，一滴水所遵循的規則與單個 H2O 分子不同。 “我已經完全喝了那種酷愛飲料，”卡恩說。
兩篇論文都採用了略有不同的等離子體激元產生方法。 然而，它們得出了相同的結論：我們真的應該關注這些訊號。 特別是，林和科扎祖克計算出，低質量暗物質產生等離子體激元的速率約為直接產生電子或光子的速率的萬分之一。 這個數字聽起來可能不頻繁，但對於希望精確的物理學家來說，這已經足夠了。
黑暗中的一槍
直到最近，最靈敏的暗物質探測器一直使用巨型液氙容器。 然而，在過去的幾年裡，新一代更小的固體探測器首次亮相。 它們以 EDELWEISS III、SENSEI 和 CRESST-III 等巧妙的首字母縮寫詞而聞名，它們由鍺、矽和白鎢礦等材料製成，並且對僅產生單個電子的暗物質碰撞敏感。
但是，所有探測器，無論遮蔽得多好，都會受到來自背景輻射等來源的噪聲影響。 因此，在過去一年左右的時間裡，當操作幾個暗物質探測器的科學家開始看到比預期更多的低能量訊號時，他們對此保持了相當的沉默。
庫林斯基及其同事的論文是第一個指出不同暗物質實驗中看到的低能量“過量”之間驚人相似之處的論文。 幾個過量似乎聚集在每公斤探測器質量 10 赫茲的值附近。 由於探測器由不同的材料製成，位於不同的地方並在不同的條件下執行，因此很難為這種不可思議的和諧提出一個普遍的原因——除了暗物質的微妙影響。 這種討論引起了其他物理學家的關注，例如林，她迅速投入到等離子體激元計算工作中。 但即使是她也懷疑實驗目前看到的結果是由暗物質產生等離子體激元造成的。 “我不是說它不可能是暗物質，”林說。 “但在我看來，到目前為止，這似乎沒有說服力。”
隨著來自最新一代暗物質探測器的更多資料湧入，該假設將受到檢驗。 但是，無論探測器目前是否正在觀察到神秘物質，這可能都無關緊要。 該領域的研究人員現在正在思考和討論等離子體激元以及低質量暗物質可能表現出的其他方式。 精密前沿的探索正在進行中。
克尼亞伊奇說：“我們有很多種可能犯錯的方式。” “而且它們都很令人興奮。”