這就是為什麼暗物質實驗沒有發現任何東西是毫無意義的

你如果在數字1和2之間到處找，那你永遠都找不到3。

假設你有個想法：我們的物理現實可能與現在概念化的物理現實有所不同。你沒準認為存在額外的粒子或相互作用，而這可能會解決如今自然科學面臨的一些大難題。那麼，你會怎麼做呢？你建立一個假設，發展它，然後試著梳理出其中可觀察、可測量的結果是什麼。

其中一些結果是與模型無關的，這就意味著無論一個特定模型正確與否，顯著的特徵都會出現。另一些結果則有著強模型相關性，顯示出一些在某些模型中出現而在其他模型中沒有出現的實驗性或觀察性特徵。當暗物質實驗出現空白時，它只測試模型相關的假設，沒有測試模型無關的假設。這就是為什麼這與暗物質的存在毫無關係。

強子對撞機 圖源：zynews

當你使任意兩個粒子碰撞在一起時，你可以探測碰撞粒子的內部結構。如果其中一個不是基本粒子，而是複合粒子，則可以揭示它的內部結構。這裡設計了一個測量暗物質/核子散射信號的實驗。然而，有許多平凡的背景貢獻可以給出類似的結果。這種特殊的信號將在鍺、液態氙和液態氬探測器中顯示出來。(暗物質概述:對撞機，直接和間接探測搜索——奎羅茲，法利納爾多S. ARXIV:1605.08788)

你不能因為一個團隊嘗試了不可能的事情，希望著大自然能合作，就對他們生氣。一些最著名的發現僅僅是由於偶然，所以如果我們能在低成本的情況下進行測試，同時得到高得離譜的回報，我們就會去嘗試。信不信由你，正是這種思維方式推動了對暗物質的直接探索。

圖源：ifeng

然而，為了了解我們是如何找到暗物質的，你必須首先了解我們所知道的全部信息。這是模型無關的證據，我們必須引導我們自己走向直接檢測的可能性。當然，我們還沒有直接發現暗物質與另一個粒子的相互作用，但這沒關係。間接證據都表明它一定是真實存在的。

現在標準模型中的粒子和反粒子都已被直接探測到，最後的「抵抗者」希格斯玻色子在本世紀初也由大型強子對撞機發現了。這些粒子都可以在大型強子對撞機的能量下產生，粒子的質量導致了基本常數，這些基本常數對於完全描述粒子是非常必要的。由基於標準模型的量子場論物理學可以很好的描述這些粒子，但它們不能像暗物質那樣描述一切。(E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

2012年，在大型強子對撞機27公裡長的圓形隧道中，粒子相互碰撞產生了希格斯玻色子

圖源：quantamagazine

一切都始於一個想法的萌芽。我們可以從無可爭議的基礎開始:宇宙由所有的質子、中子和電子組成，這些粒子構成了我們的身體、我們的星球和所有我們熟悉的物質，還有一些光子(光、輻射等)，用於更好的測量。

質子和中子可以被分解成更基本的粒子——夸克和膠子——和其他標準模型粒子一起，構成所有宇宙中已知的物質。關於暗物質的主要觀點是，除了這些已知粒子之外，還有其他一些物質對宇宙中的物質總量起著顯著作用。這是一個革命性的假設，也可以被視為是一個非同尋常的飛躍。

這個概念可能會讓你忍不住問，「我們為什麼要想這樣的事情?」

這個動力來自於觀察宇宙本身。科學教會了我們很多關於遙遠宇宙的知識，其中很多都是毫無爭議的。例如，我們知道恆星是如何運作的，我們對引力是如何運作的有驚人的理解。如果我們觀察星系、星系團直到宇宙中最大的結構……這裡有兩個可以弄清的問題。

1.這些結構中每一級的質量有多少。我們觀察這些物體的運動，我們觀察控制繞軌道運行的物體的引力規則：是否有束縛，它如何旋轉，結構如何形成，等等…最終我們得到一個可以確定那裡物質的多少的數字。

2.包含在這些結構中的恆星有多少質量。我們知道恆星的「規則」——只要我們能測量出這些恆星發出的星光，我們就能知道恆星的質量是多少。

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位於后髮星系團中心的兩個明亮的大星系NGC 4889和稍小的NGC 4874，每一個的規模都超過100萬光年。但在外圍的星系旋轉的很快，這表明整個星系團中存在著一個巨大的暗物質光環。單憑普通物質的質量不足以解釋這種束縛結構。（ADAM BLOCK/萊蒙山天空中心/亞利桑那大學）
這兩個數值不匹配，並且與我們評估出的數值之間的差異在量級上的是驚人的：它們差了大約50倍。在宇宙中，除了理所應當構成了恆星的絕大多數的物質之外，肯定還有別的東西。這適用於各個星系內大小不一的恆星，一直到宇宙中最大的星系團、星系，除此之外，整個宇宙網絡都是如此。

這個暗示很明顯，表明除了恆星之外還有別的東西在運行，但你可能不相信這東西會是新的物質。如果這就是我們只找出了這些，科學家也同樣不會相信！幸運的是，有大量的觀測數據，而當我們把它們放在一起考慮——只有暗物質假說才能解釋這些問題。

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在紅圈中顯示了大爆炸核聚變預測的氦-4，氘，氦-3和鋰-7的豐度。宇宙中有75-76%的氫，24-25%的氦，少量的氘和氦-3，以及微量的鋰。在氚和鈹衰變之後，這就是我們所剩下的物質，直到恆星形成之前，這些物質都沒有改變。宇宙中只有大約六分之一的物質可以以這種通常的物質形式(重子的，或類似原子的)存在。(NASA, WMAP科學團隊和GARY STEIGMAN)

在推斷宇宙最早期物理定律時，我們發現有一段時間宇宙太熱以至於中性原子無法形成，甚至連原子核也無法形成！當它們終於能在不被立刻炸開的情況下形成時，所有最輕的原子核(包括氫和氦的不同同位素)便形成了。

大爆炸後宇宙中第一批元素——由於大爆炸核聚變而形成——告訴了我們宇宙中有多少「正常物質」，並且這個誤差非常非常小。儘管存在的物質顯然多於恆星周圍的物質，但這只是我們通過引力效應所知道的全部物質的六分之一。不僅是恆星，而且一般的普通物質都是不夠的。

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宇宙微波背景的波動在20世紀90年代首次被宇宙背景探測器（COBE）精確地測量出來，然後WMAP在21世紀和10年代被普朗克(上圖)更精確地測量出來。這幅圖像編碼了關於早期宇宙的大量信息，包括它的組成、年齡和歷史。這些波動在量級上只有幾十到幾百個微開爾文，但明確地表明正常物質和暗物質以1:5的比例存在。(歐洲航天局和普朗克合作組織)

宙中另一個早期信號為我們提供了暗物質存在的額外證據:當中性原子形成、大爆炸的餘輝終於可以暢通無阻地在宇宙中傳播時，它非常接近於均勻背景的輻射，只比絕對零度高几度。但是當我們觀察~微開爾文刻度和小角度(<1度)刻度的溫度時，我們發現它根本就不是均勻的。

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宇宙微波背景的波動特別有趣。它們告訴我們，宇宙中正常物質(質子+中子+電子)的比例，輻射的比例，以及非正常物質(或者說是暗物質)的比例，以及其他物質。比例又是相同的：暗物質大約佔宇宙所有物質的六分之五。

其次，在大尺度上觀察重子聲振蕩的大小，表明宇宙主要是由暗物質組成的，只有一小部分的正常物質造成了上圖中的這些「擺動」。(麥可·庫倫、馬克·沃格爾斯伯格和勞爾·安古洛)
最後，在宏大的宇宙網絡中有著無可爭議的證據。當我們從最大的尺度來看宇宙時，我們知道，在大爆炸的背景下，萬有引力是使物質聚集在一起的原因。根據最初密度過高和過低的波動，引力(以及不同類型物質之間的相互作用和輻射)決定了我們將在整個宇宙歷史中看到什麼。

這很重要，因為我們不僅可以看到正常物質與暗物質在上圖中波動的大小上的比率，而且我們可以知道暗物質是冷的，或者在宇宙非常年輕的時候以一定的速度運動。這些信息讓我們可以做出意義不凡又精確的理論預測。

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根據模型和模擬，所有星系都應該鑲嵌在暗物質暈中，其密度在星系中心達到峰值。在足夠長的時間尺度上，也許是10億年，一個來自暗物質暈邊緣的暗物質粒子將形成一個軌道。氣體、反饋、恆星形成、超新星和輻射的影響使這個環境變得複雜，使得宇宙暗物質的預測變得極其困難。(NASA, ESA, T. BROWN, J. TUMLINSON (STSCI))

總之，這告訴我們在每個星系和星系團的周圍，應該都有一個非常大的暗物質擴散暈。這種暗物質實際上應該不會與正常物質發生碰撞作用；上限表明，暗物質粒子需要數光年才能有50/50的機會相互作用一次。

但是，每一秒都應該有大量的暗物質粒子穿過地球、你還有我，而未被發現。此外，暗物質也不應該像普通物質那樣與自身發生碰撞或相互作用。至少可以這樣說，這使得直接檢測變得困難。但值得慶幸的是，有一些間接的方法可以探測暗物質的存在。首先是研究所謂的引力透鏡效應。

當星系團的背景中有明亮、巨大的星系時，它們的光會被拉伸、放大和扭曲，這是由於一種被稱為「引力透鏡」的廣義相對論效應。感謝:DAVIDE DE MARTIN JAMES LONG (ESA / HUBBLE)NASA, ESA, J. LOTZ和HFF團隊，STSCI）

引力透鏡模擬的黑洞 圖源：Wikipedia

通過觀察背景光是如何因幹擾質量的存在而扭曲的(僅根據廣義相對論定律)，我們可以計算出那個物體的質量。又一次，計算結果告訴我們，這一質量肯定是所有類型的正常(基於標準模型的)物質的六倍。

裡面一定有暗物質，其數量與其他觀測結果一致。但偶爾，宇宙是仁慈的，它會給我們兩個星系團或星系團互相碰撞。而當我們研究這些碰撞的星系團時，我們學到一些更深刻的東西。

四個碰撞的星系團，顯示出X射線（粉紅色）和引力（藍色）之間的分離，這表明暗物質是存在的。在大規模上，冷暗物質是必要的，並且沒有替代品。 （X射線：NASA / CXC / UVIC。/ A.MAHDAVI等。光學/鏡頭：CFHT / UVIC./ A.MAHDAVI ET AL.（頂部左）； X射線：NASA / CXC / UCDAVIS / W.DAWSON ET AL .;光學：NASA / STSCI / UCDAVIS / W.DAWSON ET AL。（右上）; ESA / XMM-NEWTON / F.GASTALDELLO（INAF / IASF，義大利米蘭）/ CFHTLS（底部左）; X射線：NASA，ESA，CXC，M.BRADAC（加利福尼亞大學，聖塔芭芭拉大學）和S.Allen（史丹福大學）（底部右））

暗物質確實會彼此通過，並佔據了絕大多數。以氣體形式存在的正常物質會產生衝擊(上圖為x射線/粉色)，而且只佔總質量的15%左右。換句話說，大約五分之六的質量是暗物質！通過觀察碰撞的星系團，監測可觀測物質和總引力質量如何運動，我們可以為暗物質的存在提出天體物理學的經驗性證據。就算對萬有引力定律不做修改也可以解釋為什麼：

對於萬有引力定律沒有任何修改可以解釋為什麼:

兩個星團，在碰撞前，它們各自的質量和氣體會在一起，

但碰撞後，它們的質量和氣體會分離。

然而，儘管所有這些模型無關的證據，我們仍然希望直接探測暗物質。正是這一步——而且只有這一步——我們沒有實現。

圖片來源：UZH

與自旋無關的大質量弱相互作用粒子（WIMP）/核子橫截面在XENON1T實驗中得到了最嚴格的限制，XENON1T實驗相較於之前的所有實驗都有改進，甚至包括勒克斯實驗。雖然許多人可能會對XENON1T實驗沒有發現暗物質感到失望，但我們不能忘記XENON1T對其他物理過程敏感。(E. APRILE等，PHYS。啟。121, 111302 (2018))

不幸的是，我們不知道標準模型之外還有什麼。我們從未發現過任何一個粒子沒有標準模型的一部分性質，但我們知道，肯定有比我們目前發現的更多的粒子。就暗物質而言，我們不知道暗物質粒子(或粒子們)的性質應該是什麼，應該是什麼樣子，或者如何找到它。我們甚至不知道它是一個東西，還是由各種不同的粒子組成。

我們所能做的就是在某一橫截面上尋找相互作用，但不能再繼續了。我們可以找到能量反衝到一定的最小能量，但同樣不能再繼續了。我們可以尋找光子或中微子的轉換，可是所有這些機制都有局限性。在某些情況下，背景效應——自然放射性、宇宙中子、太陽/宇宙中微子等等——使它不可能提取一個低於一定閾值的信號。

其中一項旨在利用暗物質和電磁之間假想相互作用的實驗的低溫設置，聚焦於一個低質量的候選者:軸子。然而，如果暗物質不具備目前實驗所測試的特定特性，那麼我們想像中的任何物質都無法直接看到它。(軸子（AXION）暗物質實驗(ADMX) / LLNL的FLICKR)

圖源：iop.cas ADMX實驗的軸子暈望遠鏡示意圖

到目前為止，與暗物質有關的直接探測工作都一無所獲。我們觀察到的相互作用信號不需要暗物質來解釋，也不符合我們宇宙中僅標準模型的粒子。直接探測可能會阻礙或限制特定的暗物質粒子或猜想，但不會影響大量的間接的、天體物理證據，這些證據使得暗物質的存在成為唯一可行的解釋。

許多人孜孜不倦地尋找著替代方案，但除非他們歪曲了有關暗物質的事實(有些人確實是這樣做的)，否則他們有大量的證據需要解釋。在尋找宇宙中巨大的未知時，我們可能會很幸運，這就是我們嘗試的原因。但是沒有證據並不代表暗物質不存在。當談到暗物質時，不要讓自己被愚弄了。
作者: Ethan Siegel

FY: 光粒

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