暗物質(zhì)就在你身后

謝懿

2014年8月4日夜，月亮已經(jīng)落下，天空一片黑暗。約翰內(nèi)斯·埃澤爾和馬特·羅登凱爾正坐在一架直升機上，位于加拿大安大略省上空3000米的地方。羅登凱爾通過耳機向飛行員發(fā)出指示，他希望直升機能在攜帶他們實驗裝置的氣球下方繞圈飛行。麻煩的是，這個氣球正飄浮在地球大氣層的邊緣處，距離地面近35千米。

在羅登凱爾指示飛行員的同時，埃澤爾沿著水平方向向外發(fā)射肉眼看不見的紫外線激光。這兩位物理學(xué)家希望氣球中的檢測器能探測到被空氣中的氮分子和氣溶膠散射出的激光。這一切都是在全黑的條件下進行的。直升機和氣球上都沒有燈：埃澤爾和羅登凱爾擔(dān)心光子會干擾探測器。

這個特技飛行聽上去就像是007電影的情節(jié)，但它的目的卻是測試一臺有朝一日可能會被部署到國際空間站的儀器。之前還沒有人做過類似的事?！拔耶?dāng)時很緊張，不知道它是否能正常工作?！泵绹屏_拉多礦業(yè)學(xué)院的博士生埃澤爾說。

實驗的結(jié)果是儀器工作正常?！斑@是一個巨大的成功，”埃澤爾說，“意味著我們現(xiàn)在已越來越接近來自宇宙誕生之初的粒子?！?/p>

1998年，來自美國芝加哥大學(xué)、密歇根大學(xué)和歐洲核子研究中心的三位科學(xué)家發(fā)表了一篇論文，標(biāo)題是《巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子》。這篇論文提出，空間中可能充滿了具有超大質(zhì)量的粒子，它們的質(zhì)量是質(zhì)子的至少1萬億倍。提出這一粒子是為了解釋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是宇宙中不可見的神秘成分，天文學(xué)家相信，它們占據(jù)了宇宙物質(zhì)組成的絕大部分。

對星系運動和星系團中星系的觀測給出了暗物質(zhì)存在的最有力證據(jù)。如果宇宙中僅存在普通物質(zhì)，那么星系和星系團在很久以前就會分崩離析——它們沒有足夠的質(zhì)量，因此也就沒有足夠的引力來維系自己。于是，必定存在大量的暗物質(zhì)。我們的最佳估計表明，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙物質(zhì)組成的85%至90%。但是，它們主要通過引力——最微弱的基本作用力——發(fā)生相互作用，使得它們難以被探測到。

理論和觀測告訴我們這些物質(zhì)會是什么樣子。受青睞的一類候選粒子被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子。理論上我們有理由相信它們的存在，例如，在宇宙早期產(chǎn)生這些粒子的假設(shè)能夠被我們對宇宙的觀測證實，其作用與天文觀測的結(jié)果相符。這正是它們至今仍是暗物質(zhì)搜尋的重心的原因。不過，雖然已經(jīng)有了這些誘人的暗示，但始終還是沒有確切證據(jù)。

例如，由暗物質(zhì)大碘化鈉容量罕見過程搜尋（DAMA/LIBRA）實驗獲得的結(jié)果。在意大利格蘭薩索國家實驗室，這個實驗已經(jīng)運行了近20年。它使用一組碘化鈉晶體陣作為標(biāo)靶，當(dāng)有弱相互作用大質(zhì)量粒子撞擊它時，就會發(fā)出一道微弱的光線。每年6月，它的信號都會出現(xiàn)一個奇怪的峰值。如果地球在繞太陽運動的過程中定期穿過一片弱相互作用大質(zhì)量粒子的海洋，就會看到這種現(xiàn)象。這個信號的強度遠(yuǎn)高于探測器的噪音水平，讓一些物理學(xué)家興奮不已。更重要的是，另一個被稱為相干鍺中微子技術(shù)（CoGENT）的實驗也觀測到了類似的年度變化，不過后者的結(jié)果在統(tǒng)計上并不顯著。

但問題是，如果這些信號確實是由暗物質(zhì)引起的，那么其他眾多的暗物質(zhì)探測器也應(yīng)該能看到它?！袄蠈嵳f，我不知道DAMA看到的是什么，”美國費米實驗室的丹·胡珀說，“他們的信號存在明顯的周年變化，但我敢確信這不是暗物質(zhì)?！?/p>

更重要的是，如果弱相互作用大質(zhì)量粒子就是暗物質(zhì)的話，那么歐洲核子研究中心的大型強子對撞機至少應(yīng)該在粒子的碰撞中找到一些線索。然而，現(xiàn)在什么都沒有。

我們會不會找錯了粒子？“大自然有自己的想法，也許暗物質(zhì)并不是弱相互作用大質(zhì)量粒子，”美國芝加哥大學(xué)的安吉拉·奧林托說，“沒有證據(jù)說那一定是弱相互作用大質(zhì)量粒子?！?/p>

這激起了對暗物質(zhì)其他解釋的探求?！艾F(xiàn)在是時候探索其他方案了?！表n國成均館大學(xué)的暗物質(zhì)獵人卡斯滕·羅特說。巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子和其他類型的超重暗物質(zhì)粒子是強有力的競爭者。然而，它們也面臨一個沉重的問題：創(chuàng)造這些粒子需要大量的能量——遠(yuǎn)超創(chuàng)造弱相互作用大質(zhì)量粒子所需的。事實上，只有在大爆炸之后瞬間溫度和密度都極高的暴脹時期才能提供其所需能量。

直到最近，我們?nèi)詿o法確定暴脹時期是否具有足夠的能量。然而，通過綜合兩臺研究宇宙微波背景——大爆炸遺留下的輻射——的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以對它的能標(biāo)給出一個上限。南極的BICEP2射電望遠(yuǎn)鏡和歐空局的普朗克衛(wèi)星的探測結(jié)果表明，暴脹時期具有高達1億億億電子伏特的能量，足以創(chuàng)造出超重暗物質(zhì)粒子。

在暴脹期間，得益于假想中的粒子——暴脹子，宇宙會經(jīng)歷指數(shù)式的膨脹。產(chǎn)生超重暗物質(zhì)粒子的一種可能便是由暴脹子衰變而成。從理論上講，一個暴脹子可能會衰變成超重暗物質(zhì)粒子或其他粒子。

另一種產(chǎn)生機制則類似于在目前的宇宙中發(fā)生的事件。今天，真空中充滿變化的電磁場。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，質(zhì)量和能量是等價的，這些電磁場可以自發(fā)地創(chuàng)生出粒子，例如電子和它自身的反物質(zhì)——正電子。在暴脹時期，劇烈波動的引力場可能也會創(chuàng)造出粒子。由于涉及的能量極為巨大，這些粒子的質(zhì)量也會非常大。

今天的電磁場產(chǎn)生的電子和正電子會和對方發(fā)生湮滅，以能量的形式消失得無影無蹤。但是，超重暗物質(zhì)粒子不會湮滅。只要這些劇烈變化的引力場仍然存在，空間中就不斷地產(chǎn)生這些粒子。隨著時空的膨脹，這些粒子會成為物質(zhì)的一部分，擴散到宇宙的各個角落，不過我們依然探測不到它們。那么，怎樣才能找到它們呢？

在誕生后的瞬間宇宙發(fā)生了急劇膨脹，被稱為暴脹。

要想找到答案必須克服重重困難?？紤]到宇宙中這些暗物質(zhì)的量，相比于弱相互作用大質(zhì)量粒子，這些巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子要少得多?！白鲆粋€簡單的計算。當(dāng)它們的質(zhì)量很大的時候，就不會非常多?！焙暾f，“如果我想要1000克的石頭，只會有一塊。但是，如果我想要1000克的回形針，就會有很多很多。”更重要的是，我們沒有辦法讓一個巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子或其他超重暗物質(zhì)粒子直接與地球上的檢測器發(fā)生作用：它們會徑直通過普通物質(zhì)。因此，我們必須依靠間接檢測，搜尋它們衰變的產(chǎn)物，例如光子、質(zhì)子和中微子。這里假設(shè)了這些粒子最終會衰變。“如果它們根本不會衰變的話，我們就會處于困境：它們就在那里，卻難以發(fā)現(xiàn)它們?！眾W林托說。

如果它們確實會衰變，我們應(yīng)當(dāng)能夠探測到有關(guān)的產(chǎn)物。超重暗物質(zhì)粒子的大質(zhì)量意味著它的衰變產(chǎn)物會具有極高的能量。這是個好消息，因為我們知道如何追蹤這些超高速的粒子。事實上，位于南極的冰立方中微子天文臺已經(jīng)開始這方面的工作，并發(fā)現(xiàn)了一些有意思的線索。

在過去的幾年中，冰立方已觀測到了137個能量達到幾十萬億電子伏特的中微子以及3個能量高達幾千萬億電子伏特的中微子。這3個能量最高的中微子很有趣，因為它們有可能是超重暗物質(zhì)粒子的衰變產(chǎn)物。

還沒有人知道這些中微子來自哪里。我們知道，超新星爆發(fā)、伽馬射線暴和活躍星系核都會產(chǎn)生中微子。然而，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，這些源產(chǎn)生的中微子能量越高，其數(shù)目就會越少。物理學(xué)家尚不知道有什么天體物理源能產(chǎn)生能量達萬億電子伏特甚至千萬億電子伏特的中微子。這些能量最高的中微子似乎都來自別的東西。這可能是統(tǒng)計上的波動，但也可能不是?！八鼈兣d許出自暗物質(zhì)粒子的衰變?！绷_特說。

如果這些能量最高的中微子的確是超重暗物質(zhì)粒子衰變的產(chǎn)物，那會是幸運的事情。羅特的研究小組計算發(fā)現(xiàn)，超重暗物質(zhì)粒子有著長得令人難以置信的平均壽命，比宇宙的年齡還大。其中一些的壽命會比這還長得多，但另一些則隨時都有可能發(fā)生衰變?！斑@無疑是一個有趣的想法，我們應(yīng)該時刻留意?！彼f。

冰立方未來的觀測會有助于確認(rèn)這個理論。如果這些高能中微子以及它們與低能中微子之間的能量間距仍然存在，將會增強其特殊起源的可能性，如超重暗物質(zhì)粒子。

除此之外，還有另一種探測超重暗物質(zhì)粒子的方式。當(dāng)這些粒子發(fā)生衰變時，還可能釋放出超高能宇宙射線。通過合適的探測器，我們就可以探測到這些副產(chǎn)物。

從理論上講，有幾個探測器可以完成這個任務(wù)：位于阿根廷草原上占地3000平方千米的皮埃爾·奧熱天文臺，以及美國猶他州沙漠中占地約800平方千米的望遠(yuǎn)鏡陣列。到目前為止，還沒有看到任何超高能宇宙射線。不過，這也可能是由于這些探測器還不夠大造成的。

位于南極的冰立方中微子天文臺：冰上部分為實拍圖像，冰下部分為虛擬示意圖。

當(dāng)超高能宇宙射線粒子轟擊地球大氣層的時候，會產(chǎn)生粒子簇射。粒子簇射貌似很容易探測，但其實是非常罕見的事件。平均來說，每個世紀(jì)每平方千米上出現(xiàn)的這類粒子還不足一個。因此，地面上的探測器還不足以用來觀測地球大氣層的簇射。根據(jù)奧林托的計算，更好的辦法是將探測器送入太空鳥瞰地球，這樣的話，它能觀測的區(qū)域是目前最大的地面宇宙射線探測器皮埃爾·奧熱天文臺能觀測到的50倍至250倍。

而這也正是埃澤爾及羅登凱爾冒險飛行的目的。在太空邊緣的這個氣球是國際空間站上的實驗?zāi)K——極端宇宙空間天文臺（JEM-EUSO）的測試臺。奧林托是這個項目的首席科學(xué)家，正在和她的團隊一起測試其原型機。

2014年8月的飛行是為了確定氣球上的探測器是否能看到空氣分子散射出的紫外線激光。JEM-EUSO上的探測器最終將尋找超高能宇宙射線轟擊地球上層大氣所產(chǎn)生的類似輻射?，F(xiàn)如今，最初的實驗已經(jīng)成功，下一步是在美國航空航天局可滯空數(shù)周的氣球上實驗另一個原型機?！拔覀冋诮ㄔ煲粋€有效載荷，可以連續(xù)工作100天?！眾W林托說。他們的試飛計劃于2017年3月進行。

到目前為止，還沒有人叫停對弱相互作用大質(zhì)量粒子的搜尋。但是，如果JEM-EUSO、冰立方或未來的中微子望遠(yuǎn)鏡看到了能量無法用標(biāo)準(zhǔn)天體物理學(xué)解釋的粒子，那么超重暗物質(zhì)粒子——無論是巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子還是其他的粒子——就會變得更加引人注目。也許，早期宇宙遺留下來的粒子恰恰就是宇宙的化石，為神秘的暴脹時期到底發(fā)生了什么提供更多的線索。

當(dāng)超高能宇宙射線粒子轟擊地球大氣層的時候，會產(chǎn)生粒子簇射。

暗物質(zhì)的有關(guān)數(shù)字

為了搜尋暗物質(zhì)湮滅的證據(jù)，在南極的冰面之下2500米處，冰立方中微子天文臺安裝了86根懸吊著探測器的纜繩。

如果存在，每秒會有數(shù)十億個暗物質(zhì)粒子穿過你的身體。在1年中，大約只有10萬個暗物質(zhì)粒子會和你身體內(nèi)的原子發(fā)生相互作用。

為了屏蔽來自地表的輻射，大型地下氙探測器需要使用264979升的水作為防護。

宇宙的組成包括68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)和僅5%的普通物質(zhì)。

升級后的大型強子對撞機將以破紀(jì)錄的13萬億電子伏特的能量來對撞粒子，尋找暗物質(zhì)的線索。