主流科學認為暗物質是構成宇宙質量85%的神秘物質,它存在嗎?

暗物質是什麼？

科學家在大量天文學觀測中發現了疑似違反牛頓萬有引力的現象，這時科學家提出了暗物質的理論，暗物質是可能存在於宇宙中的一種不可見的物質，它可能是宇宙物質的主要組成部分，但又不屬於構成可見天體的任何一種已知的物質。在假設暗物質存在的前提下，科學家對於觀測到的天文學現象，能夠很好地加以解釋。暗物質是構成宇宙質量85%的神秘物質。

什麼組成了暗物質？

一種被廣泛接受的理論認為，組成暗物質的是「弱相互作用有質量粒子」（weakly interacting massive particle, WIMP, 後文直接引用WIMP），也有一些其它假說，如軸子或惰性中微子等。要想證明暗物質的存在，科學家需要找到WIMP或軸子或惰性中微子。

探測暗物質有哪些方法？

科學家們目前探測暗物質的主要方法可以被分為三種：加速器探測、間接探測和直接探測。

加速器探測是在地面加速器上通過加速粒子到極高能段並互相碰撞，打出新粒子，將暗物質粒子「創造」出來，並研究其物理特性。

直接探測法探測來自宇宙空間的暗物質粒子和原子核碰撞所產生的信號。由於發生這種碰撞的概率很小，產生的信號也很「微弱」。為了降低本底，通常需要把探測器放置在很深的地下。

間接法觀測暗物質粒子在宇宙空間發生湮滅或衰變之後產生的穩定粒子如伽瑪射線，正電子，反質子，中微子等。根據目前的理論模型，暗物質粒子衰變或相互作用後可能會產生穩定的高能粒子，如果我們能夠精確測量這些粒子的能譜，可能會發現暗物質粒子留下的蛛絲馬跡。

弱相互作用的大質量粒子WIMP的終極搜索

物理學家正在醞釀一個計劃，給一個受歡迎但難以捉摸的暗物質候選人最後一次機會來展示自己。

物理學家早就預言，宇宙中瀰漫著一種無形的物質，它有質量，但不與光相互作用。暗物質的引力效應可以解釋為什麼旋轉星系不會自行撕裂，以及在早期宇宙微波「餘輝」中看到的不均勻圖案。WIMP在20世紀80年代成為暗物質最受歡迎的候選者。它們通常被預測比質子重1-1000倍，並且與物質的相互作用很微弱，通過弱核力，這是導致放射性衰變的原因，或者更弱的東西。但是幾十年來，儘管科學家通過各種實驗，苦苦搜尋它，但都沒有找到WIMP的證據，這意味著，如果它們存在，它們的性質與最初預測的不同。

科學家們試圖通過全球合作，努力建造最後一代超靈敏探測器，作為一個「終極」探測器來探尋WIMP。

弱相互作用的大質量粒子WIMP為什麼被選定？

wimp一直是幾十個實驗的焦點，因為有一個強有力的理論證明了它們的存在。它們不僅解釋了為什麼星系看起來像它們那樣運動，而且它們的存在也符合粒子物理學的理論。20世紀70年代，一組被稱為超對稱性的理論被設計出來，用來填補物理學家關於基本粒子及其相互作用的標準模型的漏洞，它們預測了一種類似WIMP的粒子。當粒子物理學家對早期宇宙進行建模時，他們發現具有類似WIMP特性的粒子能夠在相互作用的熱湯中存活下來，數量剛好與今天觀測到的暗物質豐度相匹配。

過冷氙氣

在接下來的幾個月裡，美國、義大利和中國現有的三個地下探測器將開始運行，它們通過尋找氙的過冷缸中的相互作用來尋找暗物質粒子。使用一種經過十多年打磨的方法，原子核因與暗物質粒子的相互作用而後退時，這些探測器將觀察是否有閃光。

物理學家們希望這些實驗能與使用鍺、氬等材料的WIMP探測器相媲，直接探測暗物質。這些實驗很可能是同類實驗的最後一代，因為它們非常敏感，會達到「中微子層」——在這一自然極限之外，暗物質與氙原子核的相互作用非常小，以至於探測到它時會被中微子遮住，中微子幾乎不與物質相互作用，但它們數萬億每秒地灑落在了地球上。瑞士蘇黎世大學的物理學家蘿拉·鮑迪斯說：「我們需要填補這個空白，否則後人可能會問我們，你們為什麼不這麼做？」

這些努力中最先進的是一個叫做達爾文的實驗計劃。據估計，該探測器的成本在1億歐元（1.16億美元）至1.5億歐元之間，目前正在由國際氙氣合作組織（international XENON collaboration）開發，該機構負責今年啟動的3個實驗之一，位於羅馬附近的格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）的6噸重氙氣探測器。達爾文所含的氙氣幾乎是這個體積的十倍。

全球實驗

該項目也在瑞士未來科學基礎設施的國家路線圖上，德國研究部專門為達爾文相關研究發出了資助呼籲，這些步驟表明，這些國家未來可能會進一步提供資金。儘管達爾文還沒有正式落戶，但它最終可能會在格蘭薩索。今年4月，實驗室正式邀請合作夥伴在2021年底前提交概念設計報告。

儘管達爾文目前由氙氣合作組織領導，但鮑迪斯希望中國的同事們，今年正在啟動一個名為PandaX-4t的實驗，會與他們一起建造一個「終極」探測器，將實驗室建造到中微子層。「我們的目標很清晰，就是要有一個大型的全球氙氣暗物質實驗」，鮑迪斯說。

物理學家可能別無選擇，只能團結在一起，因為氙氣的需求量非常大。稀有氣體很難大量獲得，因為從空氣中提取稀有氣體需要大量能源，而且電子、照明和航天工業的需求也相互競爭。一公斤的價格可能超過2500美元。達爾文的50噸將接近世界上70噸左右的年產量，這意味著——即使現有的3個探測器全部合併為25噸——未來的實驗需要在幾年內分批購買其餘的探測器。「我們現在必須非常仔細地計劃它，」鮑迪斯說。

暗物質可能本就不存在嗎？

從全世界頂級科學家團隊，積極打造各種實驗室，開展各種探測項目來看，科學家搜尋WIMP粒子，軸子或惰性中微子的實驗還會持續幾十年。當然幾十年後，若搜尋還是一無所獲的話，那時候，至少科學家們已經排除了各種可能，也許需要創建一個新的理論。但至少目前，主流科學界還是認為暗物質是存在的，只是它確實如幽靈般地存在著，要捕獲它，需要花很大的氣力。