物理學再次錯過了與未來的長期約定。最新的、最靈敏的暗物質粒子搜尋——暗物質是宇宙中可能構成 85% 質量的隱形物質——一無所獲。這些被稱為 WIMP（弱相互作用重粒子）的難以捉摸的粒子可能只是比物理學家想象的更善於隱藏。或者，它們可能根本不存在，這意味著我們在試圖理解宇宙的方式的基礎中存在著嚴重的錯誤。許多科學家仍然抱有希望，認為升級版的 WIMP 探測實驗會找到它們，但其他人正在重新審視長期以來被認為不太可能的暗物質概念。
今年夏天第一個無效結果來自大型地下氙（LUX）實驗，該實驗使用三分之一公噸的液態氙，在零下 100 攝氏度的低溫下儲存在一個巨大的、注滿水的罐中，埋在南達科他州黑山地下一公里半處。在那裡，研究人員遮蔽了大部分汙染輻射源，花費了一年多的時間尋找 WIMP 撞擊氙核時發出的閃光。7 月 21 日，他們宣佈一無所獲。
第二個令人失望的報告於 8 月 5 日來自有史以來最強大的粒子加速器：位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）。自 2015 年春季以來，LHC 一直在以前所未有的高能量（高達每秒十億次的碰撞率）粉碎質子，從而探索粒子物理學的新前沿，以此來尋找 WIMP。早期，兩個團隊在亞原子殘骸中發現了一種明顯的異常現象：質子碰撞產生的能量過剩，這暗示了可能由 WIMP 產生的新物理現象（或者，公平地說，還有許多其他奇異的可能性）。然而，隨著 LHC 粉碎了更多質子並收集了更多資料，這種異常現象逐漸消失，表明這只是統計上的偶然事件。
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總而言之，這兩個無效結果對於暗物質來說是一把雙刃劍。一方面，它們對 WIMP 的合理質量和相互作用的新約束正在為下一代探測器的計劃做好準備，這些探測器可能提供更好的成功機會。另一方面，它們已經排除了某些最簡單和最受珍視的 WIMP 模型，引發了新的擔憂，即 WIMP 可能是在尋找暗物質的數十年彎路。
愛德華·“洛奇”·科爾布是一位宇宙學家，現在在芝加哥大學工作，他在 20 世紀 70 年代幫助奠定了 WIMP 搜尋的基礎，他曾宣佈 2010 年代是“WIMP 的十年”，但現在承認搜尋工作並未按計劃進行。“現在我們對暗物質的瞭解比五年前還要少，”他說。科爾布指出，到目前為止，大多數理論家都透過“讓一千個 WIMP 綻放”來回應，創造出越來越繁複和奇異的理論來解釋這些據稱無處不在的粒子是如何躲過我們所有探測器的。
理論家們有相互關聯的兩個理由來尋找 WIMP。第一個原因是 WIMP 是粒子物理學標準模型最流行的擴充套件的自然結果，該模型預測它們是在大爆炸後不久產生的。第二個原因是，如果存在這種原始 WIMP，簡單的計算表明，它們目前的丰度和行為應該幾乎完全符合從觀測中推斷出的暗物質的數量和性質。這種所謂的 WIMP 奇蹟已經維持了數十年的搜尋，但現在一些理論家正在質疑其有效性。
例如，在 2008 年，當時都在加州大學歐文分校的喬納森·馮和賈森·庫馬爾展示了超對稱現象如何產生一類比 WIMP 輕得多且相互作用更弱的假設粒子。“這些粒子產生的暗物質數量與我們今天看到的數量相同，但它們不是 WIMP，”馮說。“這顛覆了現狀，因為它在理論上同樣有充分的理由。我們稱之為無 WIMP 奇蹟。”
簡單的 WIMP 模型的理論基礎正在衰落，再加上越來越多的空手而歸的探測工作，導致馮和許多其他人提出，WIMP 只是一個更復雜圖景的一部分：一個充滿各種暗粒子的宇宙隱藏領域，這些暗粒子透過一套暗力相互作用，可能透過暗光的爆發交換暗電荷。由於它們為理論家提供了更多的可操作變數，因此可以將此類“暗區”模型調整到新的資料對暗物質施加的日益嚴格的事實束縛中——但缺點是這種龐大的靈活性使得它們非常難以最終檢驗。
“對於暗區，你可以自由地發明幾乎任何你想要的東西，”普林斯頓大學的天體物理學家大衛·斯珀格爾說。“現在我們已經失去了 WIMP 奇蹟的指導，可用模型的空間非常巨大。這是一個我們不知道正確選擇是什麼的遊樂場——我們現在需要更多來自自然的提示，告訴我們下一步該往哪裡走。”
一些物理學家遵循自然的提示，完全放棄了 WIMP。例如，被稱為中微子的幽靈粒子已知存在，並且有三種類型或味。儘管這三種類型都不夠重，無法解釋暗物質，但由於它們本身具有質量，因此為第四種中微子的存在打開了可能性——一種大質量的、所謂的惰性中微子。“幾乎所有的中微子質量產生機制都需要惰性中微子的存在，並且其中一些惰性中微子很容易解釋暗物質，”加州大學歐文分校的理論家凱沃克·阿巴扎吉安說。
暗物質的另一個長期存在的冷門候選者是軸子，這是一種假設的弱相互作用粒子，最初於 1977 年提出，用於解釋和解決量子相互作用中原本神秘的不對稱性。為了讓軸子解釋暗物質，它們需要佔據相對狹窄的質量範圍，並且比 WIMP 輕得多。“如果我們找不到 WIMP，理論家們就會將賭注轉向軸子，”斯坦福大學的物理學家彼得·格雷厄姆說。
除了 WIMP 和暗區、惰性中微子和軸子之外，暗物質還有更奇異的可能性，儘管它們佔據了物理學的邊緣，包括“原始”黑洞、額外維度以及愛因斯坦的引力理論在某種程度上是錯誤的。
無論他們首選的候選者可能是誰，許多與暗物質作鬥爭的物理學家最擔心的不是這個概念最終會被視為在某種程度上無效或完全錯誤——暗物質存在的觀測證據是壓倒性的。相反，他們擔心暗物質的身份可能最終與物理學中的其他偉大謎團無關，因此無法為理解現實的真實本質提供新的途徑。
“人們渴望暗物質不僅存在，而且還能解決標準模型的其他突出問題，”麻省理工學院的物理學家傑西·塔勒說。“並非每一項新發現都可能是一項啟示……之後理論突然更好地契合在一起。有時新粒子只會讓你說，‘誰訂購了這個？’我們是否生活在一個每個發現都會帶來更深刻、更基本見解的宇宙中，還是我們生活在一個某些部分有韻律和道理，但其他部分沒有的宇宙中？暗物質提供了這兩種可能性。”