物理學又一次錯過了與未來的長期預定之約。最新的、最靈敏的對構成暗物質的粒子（可能佔宇宙質量 85% 的不可見物質）的搜尋一無所獲。這些被稱為 WIMP（弱相互作用大質量粒子）的亞原子“含羞草”可能只是比物理學家 30 多年前首次預測它們時認為的更擅長隱藏。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根基中存在著可怕的錯誤。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。
無論暗物質是什麼，它都不在粒子物理學的標準模型中，這是一個在 20 世紀 70 年代鍛造的、經過徹底檢驗的“幾乎所有事物的理論”，它解釋了所有已知的粒子和除引力之外的所有已知力。找到暗物質的身份，你就能照亮通往更深入理解宇宙的新路徑——至少，物理學家們希望如此。
WIMP 的引力質量來自於其質量大約是質子的 1 到 1000 倍。它們與我們熟悉的世界的唯一剩餘聯絡將是透過弱核力，這種力比引力更強，但只在原子核尺度上的微小距離內起作用。如果它們存在，WIMP 應該像看不見的霧一樣包圍著我們，它們與普通物質相互作用的可能性非常小，以至於它們可以毫髮無損地穿過數光年的元素鉛。
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實驗主義者們毫不氣餒，花費了數十年的時間設計和操作了足夠多巧妙命名的 WIMP 探測器，足以裝滿你家裡的字母湯罐頭。（CDEX、CDMS、CoGeNT、COUPP 和 CRESST 只是以字母 C 開頭的最著名的例子。）探測 WIMP 與原子之間任何微弱、罕見和短暫相互作用的精細工作需要隔離和隱蔽，這使得大多數探測器被限制在洞穴、廢棄的礦井和其他偏遠的地下空間。
最新的 WIMP 搜尋結果之一是來自大型地下氙 (LUX) 實驗的零結果，該實驗在南達科他州黑山地下 1.5 公里處埋藏的一個裝滿水的大型水箱內，保持著三分之一噸液態氙，溫度為零下 100 攝氏度。在那裡，遮蔽了大多數汙染噪聲源，研究人員花費了一年多的時間尋找 WIMP 撞擊氙核發出的閃光。7 月 21 日，他們宣佈他們沒有看到任何閃光。
接下來的失望來自 8 月 5 日，來自有史以來最強大的粒子加速器：位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機 (LHC)。在 2012 年發現希格斯玻色子——標準模型長期預測的賦予其他粒子質量的最終粒子——之後，許多理論家認為 LHC 的下一個重磅結果將是發現希格斯玻色子（或其他非常像它的假設粒子）如何幫助產生被認為瀰漫宇宙的 WIMP。自 2015 年春季以來，LHC 一直在追求這些想法，以每秒高達十億次的速率，以前所未有的高能量將質子撞擊在一起，從而推向粒子物理學的新前沿。早期，兩個獨立的團隊已經窺探到一個明顯的異常，即亞原子殘骸中，質子碰撞產生的能量過剩，這暗示了可能由 WIMP 產生的新物理學（或者，公平地說，還有許多其他奇異的可能性）。然而，隨著 LHC 撞擊更多質子並收集更多資料，異常現象逐漸消失，表明這只是一個統計上的偶然事件。
總而言之，這兩個零結果對於暗物質來說是一把雙刃劍。一方面，它們對 WIMP 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，即長期假設的粒子可能是在尋找暗物質過程中的一個長達數十年的彎路。
愛德華·“洛基”·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 年代幫助奠定了未來幾代 WIMP 搜尋的基礎，他宣佈 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更加黑暗，”他說。科爾布說，到目前為止，大多數理論家都透過“讓一千個 WIMP 綻放”來回應，創造出越來越複雜和奇異的理論來解釋 WIMP 如何設法躲避我們所有的探測器。
當然，還有另一種可能性——WIMP 不是我們應該尋找的暗物質解決方案。“WIMP 作為對複雜現象的簡單、優雅、引人注目的解釋而出現，”科爾布說。“對於每一種複雜的現象，都有一種簡單、優雅、引人注目的解釋，但它是錯誤的。”
尋找奇蹟
不過，在 WIMP 搜尋者中，普遍的假設是他們只是還沒有足夠努力地尋找，LUX 發言人理查德·蓋茨克爾說。由於這些難以捉摸的粒子的確切質量和相互作用強度存在不確定性，WIMP 搜尋空間跨越了八個數量級。如果 WIMP 非常巨大，那麼在任何給定時刻，你的緊握的拳頭大小的空間內可能只有一兩個；如果它們非常輕，那麼每秒必須有數十億個穿過你。建立一個探測器來涵蓋如此廣闊的範圍，就像設計一個網來捕捉某種魚類一樣，這種魚類的大小可以是紅細胞的大小，也可以是城市的大小，或者介於兩者之間的任何大小。
蓋茨克爾和其他 WIMP 搜尋者押注更大的探測器會產生更好的結果，並且制定了新一代實驗的計劃，這些實驗具有顯著更大的尺寸和靈敏度。“我從 28 年前開始使用 10 克探測器進行尋找，”蓋茨克爾說。“今天我們正在使用一個三分之一噸液態氙的探測器。在未來 10 到 15 年內，我們將使用 100 噸的探測器進行尋找。”
在沒有 WIMP 實際經驗證據的情況下，一個單一的、非常有說服力的理論論證——它們必然存在——支撐了多年來對它們搜尋的穩定投資。物理學家稱之為“WIMP 奇蹟”。這個奇蹟建立在兩個推測性的支柱之上。
第一個支柱可以追溯到宇宙時間的最初瞬間。將標準模型直接外推到那個原始時代表明，WIMP 應該在大爆炸後立即充滿宇宙的緻密、熱等離子體中大量產生。大多數 WIMP 會以相對論速度相互碰撞並湮滅，從而產生普通粒子。隨著宇宙膨脹和冷卻，這個過程會減弱，留下“遺蹟”種群——冷的、慢速的 WIMP。代入介導這個過程的弱力的已知強度，你就可以計算出今天應該存在多少遺蹟 WIMP。答案——WIMP 的數量大約是普通物質的五倍——與觀測到的暗物質丰度相符。
奇蹟的第二個支柱將 WIMP 與現代希格斯玻色子的質量聯絡起來。希格斯玻色子在 LHC 上被測量為比質子重 130 多倍，是已知的最重的粒子之一。然而，量子力學的原則表明，希格斯玻色子的質量應該是 不穩定的，與已知粒子相互作用後會增長數萬億倍。除非，它的失控增長以某種方式被新的、尚未發現的大質量基本粒子抵消。此類粒子是超對稱性的標誌性預測，超對稱性是標準模型的流行擴充套件，透過假設每個粒子都有一個伴隨的“超伴子”來填補理論空白。許多超對稱性理論預測，最輕的超伴子將是一個穩定的、中性的、弱相互作用的粒子——也就是說，一個 WIMP。這就是 LHC 一直在尋找——但未能找到——的幽靈粒子，它在最新的碰撞中也沒有找到。“令人驚歎的是，這兩條完全獨立的證據線索是如何匯聚在一起，告訴你這些粒子可以存在，併為你提供正確型別和數量的暗物質，”紐約大學的暗物質理論家尼爾·韋納說。“這就是 WIMP 奇蹟。”
然而，近年來，理論家們已經表明，WIMP 並不像它們看起來那麼神奇。2008 年，當時都在加州大學爾灣分校的喬納森·馮和傑森·庫馬爾展示了超對稱性也如何產生一類假設的粒子，這些粒子比 WIMP 更輕，相互作用更弱。“這些粒子產生的暗物質數量與我們今天看到的相同，但它們不是 WIMP，”馮說。“這打亂了局面，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退，再加上越來越多的徒勞無功的探測努力，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：一個全新的宇宙隱藏領域，充滿了多種多樣的暗粒子，它們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可操作的變數，因此可以將此類“暗區”模型進行調整，以適應新資料對暗物質施加的日益嚴格的束縛。
缺點是這種廣泛的靈活性使得它們非常難以得出確鑿的檢驗結論。“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戴維·斯珀格爾說。“現在我們已經失去了 WIMP 奇蹟的指導，可用模型的空間是巨大的。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暗示，告訴我們接下來該去哪裡。”
情況可能是，我們只觸及了自然界中粒子和力的完整多樣性的表面——只關注夸克、光子等，因為它們對我們來說是如此熟悉和容易接近。在這種情況下，我們就會“像一個醉漢，只在路燈下尋找他丟失的鑰匙，因為那是所有光線所在的地方，”韋納說。“有些場景是我們目前的科技根本無法檢驗的。另一方面，如果你有創意，也許你可以製造新的路燈。”
暗馬
在現在已知的其他路燈中，很少有（如果有的話）完全符合理論家的所有正確條件。與 WIMP 一樣，其中一些替代暗物質候選者也具有令人信服的理論基礎。一些專家表示，它們的相對默默無聞部分歸因於這樣一個事實，即它們不像 WIMP 假設那樣在現象學上豐富，為實驗主義者和理論家尋求和研究提供的誘人訊號和有趣問題較少。
去年，一個研究團隊因發現被稱為中微子的幽靈般的、弱相互作用的粒子有三種“味”並且具有質量而獲得了諾貝爾物理學獎。這三種中微子種類質量不足以解釋暗物質，但由於它們本身就具有質量，因此開啟了存在第四種中微子的可能性——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，而且其中一些惰性中微子很容易解釋暗物質，”加州大學爾灣分校的理論家凱沃克·阿巴扎吉安說。但是，從未有人找到過惰性中微子，包括有史以來最靈敏的搜尋，8 月底報道，來自一個使用南極冰立方中微子天文臺的團隊。
暗物質的另一個長期“暗馬”候選者是軸子，這是一種假設的弱相互作用粒子，最初在 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，這可能會使它們更難被探測到。“如果我們找不到 WIMP，理論家們就會將他們的賭注轉移到軸子上，”斯坦福大學研究軸子和其他暗物質候選者的物理學家彼得·格雷厄姆說。
除了 WIMP 和暗區、惰性中微子和軸子之外，還有更奇異的暗物質可能性，儘管它們佔據了物理學的邊緣。
可能在大爆炸後不久形成的黑洞可能構成宇宙的隱藏質量，但它們必須以如此豐富的數量存在，以至於我們可能已經透過其他方式發現了它們。即便如此，我們對這種“原始”黑洞的搜尋還不夠徹底，無法完全排除它們作為暗物質來源的可能性。或者，暗物質可能是粒子在隱藏的鄰近維度中快速移動的超空間足跡——但 LHC 或任何其他加速器都沒有出現令人信服的額外維度證據。
最令人震驚的是，暗物質可能在很大程度上是虛幻的，表明我們對透過愛因斯坦廣義相對論理解的引力存在缺陷。“修正引力”的各種理論表明，在某些情況下，引力會減弱，這可以解釋一些暗物質觀測——特別是星系的動力學——但難以解釋天文學家在星系團和宇宙大爆炸餘輝中看到的暗物質歸因細節。
但是，與偏愛 WIMP 而不是軸子和惰性中微子一樣，一些物理學家懷疑，對修正引力的廣泛厭惡至少部分是由於科學家的社會學而不是科學過程本身。“修正引力在粒子物理學家眼中並不‘漂亮’，”德國法蘭克福高等研究院的理論家薩賓·霍森費爾德說。“發明新粒子是粒子物理學家的職業；當然那是他們更喜歡做的。”
無論他們偏愛哪個候選者，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正本質提供新的途徑。
“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能像希格斯玻色子那樣具有啟示性，在那之後，各種理論突然更好地結合在一起。有時，新粒子只會讓你說，‘誰訂購了這個？’我們生活在一個每個發現都會帶來更深入、更根本的見解的宇宙中，還是生活在一個有些部分有韻律和道理，而另一些部分則沒有的宇宙中？暗物質提供了這兩種可能性。”