本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
暗物質之謎的答案也許正被我們踩在腳下。
低溫暗物質搜尋計劃是用來追蹤暗物質粒子效果最佳的項目之一。但據最新研究報告稱，最佳暗物質探測器也許正是地球自身。
（圖片： SuperCDMS/Slac National Accelerator Laboratory ）
暗物質是宇宙中我們假設存在的一種組成物質，它被用來解釋恆星和星系出現的許多奇怪行為。
雖然幾乎所有證據都證明暗物質的存在無可辯駁，但我們對於它的構造卻一無所知。遍布全球各地的探測器已經為此運轉了數十年，試圖捕捉到暗物質粒子與我們擦肩而過的蛛絲馬跡，但都一無所獲。而一篇研究論文給出了一個新奇的思路：深挖。
各種各樣的天文觀測結果都暗示我們暗物質的存在。恆星繞星系中心軌道運動的太快；星系在星團內部運轉過速；宇宙中的大體積塊狀構造出現的太早。
就我們所知，宇宙比我們可見範圍要大得多——那裡還存在一些其他形式的物質是我們無法看到的。不管暗物質是什麼樣，它都是一種新的粒子，且不會產生光學反應，也就是說它不是發射出來的，不會吸收、反射，也不會折射電磁輻射。這意味著我們看不到它，這也是為什麼它叫「暗」的原因。
截至目前，重力（引力）是我們了解暗物質存在的唯一的途徑。儘管有隱身超能力，暗物質仍然是有質量的，這意味著它能對宇宙中最大的物體產生拖拽和塑形作用，通過更多高光度星和星系的運動可以揭示它的身影。
另一方面，粒子物理學家一直以來都在炮製新粒子，以它們作為新物理學說的研究成果。最具說服力的一種粒子名為WIMP（weakly interacting massive particle弱相互作用大質量粒子）。
「弱相互作用」不代表粒子微弱，它表示暗物質通過弱核力與正常物質偶爾發生作用。但也正像它的名字那樣，弱核力強度不大，只有非常有限的範圍，所以這些相互作用十分罕見。
埋葬的線索
「罕見」也並不代表「從來沒有」。人們普遍認為有幾十億——甚至數萬億——暗物質粒子正在你身體內游離。但因為暗物質幾乎不會注意到正常物質，二者互不幹擾，所以你不會有感覺。為使它的引力效應可見，你需要進行大規模測量。
儘管如此，罕見的是（目前不知道具體有多罕見），一個暗物質粒子自發的通過弱核力去和一個普通物質粒子相互作用。這包含能量轉移（也就是說暗物質反衝正常物質），讓正常物質飛行起來，這樣一來有一些東西至少在大體上，我們可以探測到。
正因為它罕見又微弱，所以我們的探測工作很難取得成果。我們需要體積很大的大型探測器（因為相互作用的稀缺性，要麼建造一個巨大的探測器要麼等著百年一遇的幸運降臨）。而且我們必須要把這些探測器深埋在地下，最深處在地表下1.2英裡（2公裡）。做這工作是因為那裡有亞原子幹擾活動發生：另外一種高能量粒子，像中微子和宇宙射線一樣，能夠製造反衝，而在它們碰撞到探測器之前，我們需要利用大量的巖石來吸收它們，以保證我們是否能夠接收到信號，因為極可能是由暗物質引起的。
而到目前為止，雖然經過幾十年的探測器建造，且體積越來越大，而且觀測很細緻，但我們仍然一無所獲。
化石證據
基於工程和成本的收緊，我們只能建造有限大小的暗物質探測器。有幸的是發表在arXiv在線預印本網站的一篇文章提到，有一個巨型暗物質探測器數百萬年來一直在收集相關數據。
而這個探測器正被我們踩在腳下。
地殼本身就是一個大型的暗物質探測器。當游離的暗物質粒子與正常物質粒子在巖石內部相互作用時，質子和中子會被敲打鬆動以至於改變巖石受影響位置附近的化學物質組成。這甚至有可能促使粒子飛行，並留下一個微小的傷痕。而深度挖掘可以更好地觸及到地殼的某些部分，達到的深度是目前暗物質探測器探測深度的兩倍以上，這有望使探測結果更不會受到宇宙射線和其他有害粒子的幹擾。巖石成型以來存在了數百萬年甚至千萬年，它們一直以來都在記錄著暗物質反應，這些記錄歷史之久遠遠超出了我們在實驗中所期望得到的時間。
所以，操作很簡單：挖開一堆巖石（最好是純度高且便於分析的）然後從頭到尾認認真真微觀梳理一遍，找一找亞原子暴行的蛛絲馬跡。不過這裡面存在一個陷阱，地球上的巖石天然包含一些放射性元素，而放射性衰減能夠引起相似特徵。為了解決這個問題，研究人員建議挖掘海底地殼，這些相比構成大陸板塊的地殼純度更高。按這個方法，研究人員預計我們可以輕鬆得到一個超級探測器：僅僅一公斤巖石就足以抵得上當前最好的探測器的敏感度。因此我們必須開挖。
作者：Paul Sutter - Astrophysicist
FY:Patrick
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處