暗物质为什么一定要存在（科学家为什么还没找到它）

宇宙中六分之五的东西似乎不见了，我们就是找不到。这些看不见的物质被称为“暗物质”，科学家们通过一些世界上最大、最昂贵的实验来寻找它。

一次又一次，这些实验空手而归。最近，氙气实验的科学家们在经过9个月的搜索后，没有找到他们想要的信号。氙气实验是一种非常敏感的液态氙气。世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机（位于瑞士日内瓦）也没能找到任何东西。所以，你可能会想，我们在找什么，为什么？为什么世界上的物理学家对什么是“暗物质”有如此深刻的分歧？

在洁净室内组装后的氙气时间投射室

暗物质是超大而奇怪的东西

早在19世纪末，科学观测就告诉我们，宇宙比它看起来的要大。科学家们现在认为瑞士物理学家弗里茨·兹威基是暗物质之父。兹威基意识到彗星群中的星系似乎移动得太快了。他认为星团中的质量应该是他所能看到的质量的400倍，有点过冲，并称之为“暗物质”。

瑞士物理学家弗里茨·兹威基是暗物质之父

薇拉·鲁宾和其他人在20世纪60年代和70年代的研究表明，星系本身必须比已知的引力定律还要大。有质量的物体有引力，质量越大，它们对其他物体的引力就越大。万有引力定律预测，在巨大的旋转系统（如太阳系或恒星集合）中，最远区域的物体移动速度应比靠近中心的物体慢，并继续减慢。

但是这些科学家观察到星系外边缘的恒星没有减速，它们以相同的速度围绕星系中心运行，甚至比接近中心的恒星还要快。这意味着恒星承受了更多的引力，并且处于一个比预期质量更大的区域。要么是物理定律错了，要么是在该区域还存在一些奇怪的、更黑暗的东西。

事实上，在我们整个宇宙中，大质量天体表现得好像比它们看起来还要大。在距地球37亿光年的子弹星系团中，看似空的区域仍然具有足够的引力来弯曲从它背后的星系发出的光。

子弹星系团的引力透镜研究据称为暗物质的存在提供了迄今为止最好的证据

但是，正如芝加哥大学物理学家丹·胡珀在最近的一次会议上所解释的那样，暗物质最重要的证据来自对宇宙自身大尺度结构的观测。它似乎毫无缘由地呈现出某种引力结构，所以我们必须把这些至今无法察觉的东西结合在一起。现在的计算表明，这种暗物质的数量大约是普通物质的五倍。

为了理解这些奇怪的观察结果，已经并将继续进行许多尝试。一些人甚至认为暗物质可以用非常暗的物体来解释，比如那些不发光的恒星（理论学称为"巨大紧凑光环物体"或"MACHOs"）。这个想法后来被驳倒了。

一个最受欢迎的暗物质候选者出现了，不是来自天文学，而是来自粒子物理学：弱相互作用的大质量粒子，或称WIMPs。

最被广泛接受的假设是暗物质是由弱的基本亚原子粒子组成的，在我们的常规物质地球上，这些粒子太弱，我们无法在这里注意到，就像微风太轻，无法推动砖房。

自从千年之交以来，科学家们相信这些粒子随时都会被发现。但现在已经不是这样了。由于WIMPs还没有被发现，物理学家们对暗物质产生了分歧：是WIMPs还是某种奇怪的东西？

“至少15年前，当人们谈论暗物质时，他们互换使用‘暗物质’和‘WIMPs’两个词。”胡珀告诉我们，“这是一个渐进但意义重大的转变，不过现在没人再做那种事了。人们现在对暗物质是由什么组成有了更广泛的全球概念。”

在子弹星系团中，光线在空的空间中弯曲。研究人员现在相信这些区域含有暗物质。

奇迹

随着2012年希格斯玻色子的发现，粒子物理学家认为他们已经确定了构成宇宙的所有粒子，以及它们之间的所有作用力，完成了

标准模型。这是一个一致的理论，但它有漏洞。它就像一个地图上的洞穴，里面还有一些神秘的地方、奇怪的和无法解释的“风”从那里吹出来。

标准模型

一个这样的神秘区域包含了一个未发现粒子的新领域的潜力——每个存在的粒子都存在一个邪恶孪生体。这些理论化的镜像世界粒子，被称为“超对称伴随子”，比标准集更大。几十年来，物理学家一直对这种“超对称性”感到好奇，它可能会潜在地回答关于标准模型的一些最重要的悬而未决的问题，比如为什么引力与其他力相比是如此的弱，特别是控制亚原子粒子之间某些行为的“弱核力”。

尽管暗物质和超对称性有着各自的起源，但在20世纪90年代还是一致。当物理学家们意识到，如果存在超对称粒子，它们可能是解释暗物质的额外质量的“WIMP”，这种巧合被称为“WIMP”奇迹。1996年的一份报告写道：“在众多的WIMP候选物中，可能动机最好、理论上也最成熟的是超中性子（neutralino），它是许多超对称理论中最轻的‘超对称伴随子’。” 换言之，“超对称伴随子”会成为“WIMP”。

大型强子对撞机

对“WIMP”的搜寻经历了两条不同的道路。一种方法是使用大型强子对撞机将质子（亚原子粒子）撞击在一起，以期在由此引起的碰撞中发现一些异常现象，这是以前未被发现的粒子可能是暗物质的征兆。到目前为止，LHC物理学家还没有发现任何这样的粒子。但是他们没有完成搜索，他们也不会很快放弃。

有几个实验采用了第二种方法。如果宇宙的六分之五有可能是由“WIMP”构成的，那么这些粒子中的一些一定会撞击地球。加拿大、意大利和韩国正在进行这些实验，他们将用来探测来自太空的“WIMP”超灵敏探测器深埋在地下，以阻止任何额外的粒子（如宇宙射线）干扰这个装置。这个想法是暗物质粒子会和探测器的物质发生轻微的相互作用。

意大利最灵敏的实验氙1T，工作人员正在检测实验装备

迄今为止最灵敏的实验是氙1T，它位于意大利的一座山下，使用一吨低温液体氙作为探测物质。它还没有在九个月的搜索中找到它目前的“WIMP”。或者更确切地说，它发现了很多暗物质不可能拥有的属性，让我们了解了暗物质可能拥有的属性。

这就像通过在空白空间中绘制轮廓一样。到目前为止，科学家们已经排除了所谓的"普通的WIMP"的概念，或者关于WIMP可能是什么的最基本、最明显的想法，他们一致认为真正的WIMP可能非常陌生，而且不太可预测。

虽然WIMPs尚未被发现，但这个理论并没有消亡。在WIMP搜索领域，大多数人觉得WIMP仍然在那里，等待被发现。尽管如此，人们还是变得焦躁不安。

野生的WIMPs在哪里（不是）

今年2018年春天，物理学家们在加州圣巴巴拉的卡弗里理论物理研究所和意大利的Moriond会议会面，讨论暗物质搜索的状态。很明显，许多人正在寻找新的途径来解开这个谜团。

俄亥俄州立大学欧洲核子研究中心ATLAS实验的博士后研究员詹姆斯·比查姆告诉我们：“我们一直希望会在标准搜索中找到一些信号。”“既然我们总是空手而归，这就迫使人们以截然不同的方式思考。”

例如，也许还有另一个粒子，一个强相互作用的大质量粒子，或者说SIMP，如果探测器不在地下那么深的地方，就可以找到它。其他人已经聚焦另一个亚原子粒子：轴子（axion），认为它将同时解释缺失的暗物质，并解决粒子物理学中关于将原子核结合在一起的力的单独问题。其他人认为，也许尚未被发现。

大爆炸遗留下来的原始黑洞

从事氙气合作研究的苏黎世大学物理学家劳拉·鲍迪斯（Laura Baudis）在接受我们采访时说：“WIMP仍有很多参数空间，但同时我们也必须探索其他可能性。”

加州大学欧文分校（University of California Irvine）物理学和天文学教授乔纳森•冯（Jonathan Feng）表示，由于持续缺乏探测能力，越来越多的年轻物理学家开始寻求更奇特的解决方案。

但也有人怀疑我们是否刚刚从根本上搞错了物理定律。如果暗物质只是我们这一代的发光乙醚呢？科学家曾经认为，光要以波的形式传播，必须通过某种介质“以太”。阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫利的实验证明“以太”是不存在的，而阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论则证明证明了这一点。也许我们所谓的“暗物质”可以用一种新的理论来解释，这种理论不需要找到某种奇怪的质量。

爱因斯坦

其中一类理论是修正的牛顿动力学，或称MOND。凯斯西储大学天文学家斯泰西·麦高（Stacy McGaugh）解释说，也许

艾萨克·牛顿的引力定律需要一个调整来解释极端巨大的、缓慢的东西，比如星系的非常缓慢的加速边缘。麦高曾对我们说，暗物质是“我们早期用来解决问题的‘牙仙子’ ”。每当宇宙的某一部分似乎不遵守物理定律时，科学家就会用暗物质来解释这些差异，以填补空白。也许宇宙的那些部分根本不需要暗物质来遵守物理定律，因为它们根本不遵守我们最初理解的定律。

艾萨克·牛顿

麦高认为，也许暗物质代表了控制引力最著名的定律：广义相对论的不完整性。“现在普遍的态度是，广义相对论是上帝赋予我们的，不能被质疑，因此暗物质必须存在。”他说。“我担心我们太崇拜爱因斯坦了。”

或者我们误解了引力的起源。阿姆斯特丹大学的理论物理学家埃里克·维尔林德说，也许引力实际上是从量子力学的数学、最小事物的物理学中产生的，就像温度从粒子运动中产生一样。我们现在认为引力是质量与空间本身相互作用的结果，但也许引力是粒子集体行为的结果。那么，暗物质可能是集体行为的结果，而不是现有的广义相对论。

“人们说（暗物质）必须是一个粒子。对我来说，这些争论没有意义。我们还没有考虑过其他的可能性。” 弗林德告诉我们，“从某种意义上说，暗物质是我们还不了解的东西的占位符。”

这两种观点都无法解释暗物质（宇宙的大尺度结构）最重要的证据。

搜索仍在继续

暗物质可能不是WIMP的原因有很多。我们可能误解了物理定律；这些定律可能不适用于暗物质；或者这些定律可能是错误的或不完整的。但是科学家已经投入了大量的时间和金钱来寻找弱暗物质。

即使在最近的研究结果中，科学家们什么也没有发现，仍然有很多不同的WIMP可能性。但当前和未来的实验都受到中微子层面的限制，在这个层上，实验变得如此敏感，以至于暗物质粒子与物理学家已经观察到的另一种弱相互作用粒子（称为中微子）无法区分。

但在实验到达中微子层之前，仍有更多种类的WIMP没有被排除，搜索必须继续。

宇宙网，我们宇宙最大的模型，形成了一个引力结构，由暗物质凝聚在一起。

美国自然科学基金会（U.S.Natural Science Foundation）计划资助一系列实验，这些实验将一直追踪到中微子层的粒子。它已经决定资助WIMP“狩猎”实验超级CDM，并正在资助正在建设的LZ，该LZ将包含10吨液态氙。氙1t将升级为氙nT。也许有一天，一个叫做达尔文的实验会完成这项工作。

不用担心浪费：所有这些实验都可以测量暗物质以外的东西，如果一个WIMP没有被发现。它们可以成为超新星观测站或进行其他粒子物理测量。

中国的暗物质粒子探测卫星

即使在没有被探测到的情况下，来自太空的诱人暗示仍在继续刺激科学家们对暗物质粒子的胃口。中国的暗物质粒子探测卫星和国际空间站上的阿尔法磁谱仪，似乎探测到了可能由暗物质粒子引起的信号。最近在澳大利亚的一个无线电接收器上进行的一项实验，检测到来自第一批恒星的信号，这些恒星似乎被早期宇宙中的一些暗物质粒子所改变。

然而，WIMP正在失去作为统治理论的力量。物理学家没有探测的时间越长，解释暗物质的新想法就会越来越多。

我们能找到WIMP吗？谁也不知道是否能真正找到它，但科学家将继续从事科学研究。不管我们怎么想，大自然根本不在乎。不管怎样，我们也必须继续寻找搜寻下去。

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