如果暗物质实验不能直接探测暗物质，还那有继续实验的必要吗？

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作者：天文在线

如果你只在1和2之间摸索，那你永远也找不到3

好比说，你脑子里冒出一个想法，想知道实际物理和当前物理理论究竟有多大差距。或是你认为存在着尚未发现的粒子和相互作用，而且它们说不定能解开当下自然科学中的一些大谜题。那下一步该怎么做？你先提出一个假说，再顺着发展下去，然后试着理出可以观察并测量的结果会是怎样的。

其中有些结果是与模型无关的，也就是说不管某个模型是不是对的，显著信号都会出现。有些则是极其与模型相关的，其产生的可实验、可观测的显著信号只会在部分特定的模型中出现。不论几时，暗物质实验之所以会竹篮打水一场空，是因为它只测试了模型相关的设想，而非模型无关的。以下就是这些实验对证实暗物质的存在没有任何意义的原因。

当你将任意两个粒子碰撞时，你会探测到撞击粒子的内部结构。假如其中一个不是基本粒子，而是复合粒子，那这些实验便能揭示其内部结构了。这里就设计了一场实验来检测暗物质或核子散射信号。不过，有很多常见的本底贡献也能给出相似的结果。这一特殊信号在锗、液氙和液氩探测器中均会出现。

你总不能对一个在挑战不可能的同时希望自然合作的团队而生气。历史上一些著名的发现都相当机缘巧合。所以，要是可以花低成本去检测某样东西，还带高昂回报，人们往往会试一试。不管信不信，恰恰是这种思维方式推动了直接寻找暗物质的发展。

不过，为了了解我们如何发现暗物质，首先得弄明白一整套相关的已知理论。这就是我们必须引导自己走向直接探测的可能的与模型无关的证据。当然，我们至今还没在和其他粒子的相互作用中直接发现暗物质。但没关系，所有间接证据都表明暗物质真的存在。

标准模型中的粒子和反粒子目前均可被直接探测到。二零一十年代初，在不懈坚持下，希格斯玻色子最终在大型强子对撞机中现身。所有这些粒子都能在大型强子对撞机的不同能量区产生，且这些粒子质量导出的基本常数对于完整描述它们是必不可少的。标准模型的基础——量子场论中的物理理论能对这些粒子进行一番很好的描述，但它并不能描述所有事物，例如暗物质。

一切都始于一个想法的萌生。先从没有争议的基础理论来看：宇宙是由质子、中子和电子（这些粒子也构成了我们的身体、星球和一切我们熟悉的物质），再加上光子（光、辐射等）构成的。

质子和中子可以分裂成更基础的粒子，如夸克和胶子。这几种粒子和标准模型中的其他粒子共同构成了宇宙中已知的物质。有关暗物质的大设想是：除了这些已知的粒子，还有其他物质占宇宙物总质量的大部分。这一设想很大胆革新，似乎会是一步非凡的跨越。

它可能驱使你问“为什么我们会想到这么个东西？”

产生疑问的动机来自于对宇宙本身的观察。科学让我们明白了很多遥远宇宙中的事情，且其中大部分都毫无争议。比如说，我们知道恒星的运转机制，对引力作用更是了如指掌。通过观察星系、星系团，甚至宇宙中最大尺度的结构，我们可以很好地推断出两件事：

一、各级结构的质量总共有多大。看看这些天体的运动，以及掌管有轨天体的引力定律，不管它们有没有依附，如何旋转，如何形成结构等等，我们能得到一个关乎各级结构的物质总质量的确切数字。

二、各级结构中恒星的质量总共有多大。我们知道恒星是如何运转的，因此，只要我们能测量来自这些恒星的光，便能知晓恒星的质量。

NGC4889（左）及较小的NGC4874（右）这两个明亮又庞大的星系位于后发座星系团中心，且两个都有超过一百万光年远。但两个星系外围的移动速度很快，表明有巨大的暗物质环贯穿着整个星系团。单就常规物质的质量不足以说明这个组合结构。

两个星系的常规物质质量和总质量并不相称，我们得到的差值大得惊人，大概差了50倍。除了恒星之外，肯定还有其他物质贡献了宇宙质量的大部分。从大大小小的星系，到宇宙中最大的星系团，甚至到整个宇宙空间网，对于宇宙各级结构中的恒星来说，这种现象都不乏存在。

这明显在提示，还有恒星以外的物质在做贡献，但这并不见得会使你相信要引进一种新物质。如果说这就是我们得要研究的所有，科学家也不会信服！幸好还有大宗观测数据。待所有数据汇集时，提出暗物质的假设就在所难免了。

大爆炸核合成预测出氦-4、氘、氦-3和锂-7的丰度，在红圈中显示了观测结果。宇宙的质量由75%-76%的氢，24%-25%的氦，少量氘和氦-3以及微量的锂构成。在氚和铍衰变后，剩下的就是这些元素了，而且这些元素在恒星形成之前一直处于稳定状态。宇宙中只有约六分之一的物质会以常规物质（如重子、类原子）的形态存在。

当我们推断宇宙初期的物理定律时，我们不仅发现初期某个时段宇宙温度高到中子都无法形成，还发现有个时段连原子核都无法形成！等中子和原子核终于能形成，且不会立即分裂了，就到所有粒子中最轻的粒子——原子核（包括不同同位素的氢和氦）的形成时期了。

宇宙大爆炸之后，大爆炸核合成过程中形成的第一批元素近乎确切地告诉了我们宇宙中常规物质的总质量。尽管恒星周围的物质远不止这些，但我们知道的只有约六分之一的总质量是从引力效应中得来的。不光是恒星的质量，就算所有常规物质加起来，也凑不够宇宙的总质量。

上世纪九十年代，COBE首次准确测量出宇宙微波背景辐射的涨落。到本世纪初WMAP进行了更精确的测量，紧接着一零年代Planck再度提高了精确度。这张图像背后蕴含着大量包括其构成、年龄和演变历史在内的初期宇宙相关的信息。虽然涨落幅度只有几十到几百微开氏温度，但其明确指向常规物质和暗物质的质量比例为1：5。

关于暗物质的其他证据来自宇宙中的另一个早期信号：当中性原子形成，大爆炸残余的光终于在宇宙中自由穿行时。它非常接近均匀的辐射背景，仅比绝对零度高出几度。但当我们用微开氏刻度和小角（＜1°）刻度查看温度时，我们看到温度根本不一致。

宇宙微波背景辐射的涨落是个特别有趣的现象。这些涨落让我们了解到宇宙中的常规物质（质子、中子和电子）形成时由哪些部分构成，辐射形成时有哪些构成，非常规或暗物质或其他物质形成时又由哪些构成。这些涨落再次给出了同样的比例：暗物质占宇宙物质总和的六分之五。

在大尺度上观察到的重子声振荡表明宇宙大部分由暗物质构成，只有小部分常规物质引起了上图中小幅的波动。

最后，终于在浩渺的宇宙网中找到了铁证。当我们观察最大尺度的宇宙时，我们得以知道在大爆炸时期，引力是导致物质抱团聚合的主要原因。基于在低密度和高密度区的初始涨落，引力（加上不同物质之间的以及与辐射的相互作用）决定了我们纵观宇宙演变史将看到什么。

这点尤为重要。因为我们并不是只看到上图中常规物质和暗物质在浮动上的比例，还从中看出了暗物质是冷的，以及它早在宇宙形成之初就在某一特定速度以下移动。这几条信息引发了一些杰出的明确的理论推测。

根据模型和模拟，所有星系应该都嵌在暗物质环群中，且暗物质环的密度在星系中心达到峰值。在大约十亿年的足够长的时间跨度上，一颗在环外围的暗物质粒子将连起一个完整的轨道。气体、反馈、恒星形成、超新星和辐射产生的影响使大环境复杂化，因此极难找出关于暗物质的普适性预测。

以上种种都告诉我们，在每个星系或星系团周围，都应该有一个超大的扩散着的暗物质环。这种暗物质实际上应该与常规物质没有任何由撞击导致的相互作用，而且上限表明一颗暗物质粒子要数光年坚定的引导才有50%的机会产生一次相互作用。

然而，理应由大量暗物质粒子无时无刻不在悄无声息地在地球上穿行，穿梭于你我之间。此外，暗物质也不应像常规物质那样与自身碰撞或相互作用。最起码这点就使得直接探测暗物质变得困难。但庆幸的是，还有间接探测的办法可以检测暗物质的存在。首先要了解的是一种叫做引力透镜的方法。

当星系团中有明亮又庞大的星系时，由于广义相对论定律，即引力透镜的效应，这些星系的光会被延伸、放大、扭曲。

通过观察背景光线如何被横亘的质量扭曲（仅根据广义相对论定律），我们可以重建该天体中有多少质量。这又一次告诉我们有比各类常规物质加起来大6倍的物质存在。

一定有暗物质存在，而且数量比例和与其他观测所得到的一致。但有时也要感激宇宙给了我们两座星团或几组两两相撞的星系。在检测这些相撞的星系团时，我们了解了更多奥秘。

四座相撞的星系团，用粉色和蓝色区分出了X射线和引力，暗物质一目了然。在大尺度上，冰冷的暗物质是必需的，无可替代。

暗物质的的确确会相互穿梭，并且占宇宙总质量的绝大部分。气态常规物质会产生冲击（上图中粉色的X射线），并且只占总质量的15%。换而言之，大约有六分之五的物质是暗物质！通过观察相撞的星系团、监测可观测物质和总引力质量的变化，我们可以提出天体物理学上的经验性证据证明暗物质的存在。即便修改了引力定律也不能解释其原因：

·碰撞前的两簇会让它们的质量和气体紧密结合，

·但在碰撞后质量和气体会分离。

尽管如此，即便有种种与模型无关的证据，我们仍想直接探测暗物质。就是这一步，也是唯一一步，我们尚未实现。

自旋无关的弱相互作用重粒子/核子的横截面在XENON1T实验中已得到最严格的控制，XENON1T实验在这点上比前期所有实验，包括LUX 实验在内，都做得更好。即便XENON1T探测器在成功找到暗物质上有些让人失望，但别忘了还有其他的XENON1T也灵敏的物理过程。

很遗憾，我们尚不知标准模型之外的物质。尽管我们连一颗标准模型之外的粒子都没发现，但我们知道了肯定有没发现的粒子。就暗物质而言，我们不知道暗物质粒子（或粒子群）到底是怎样的性质和形态，也不知道在哪能找到它，甚至连它又一种还是一系列不同粒子构成的也不清楚。

我们能做的就是去寻找特定横截面的相互作用，但范围不能再小了。我们可以在某个微小能量中找能量反冲，但能量不能更低了。我们还可以寻找光子或中微子的转换，但不管哪种机制都有局限。有时，由于自然放射活动，宇宙中子，太阳/宇宙的中微子等背景效应的影响，压根不可能提取特定阈值内的信号。

有一场暗物质实验的低温装置把焦点放在了一个小质量的粒子——轴子上，期望用来探索暗物质与电磁之间假设的相互作用。如果暗物质不具备目前实验所测试的特定属性，那么在所有的，甚至是处于构想阶段的实验中，都不能直接看到它。

回顾以往，为直接探测暗物质做出的努力总是没有回报。观测到的相互作用信号中，没有要用暗物质来解释的，也没有与标准模型中的粒子不相符的。尝试去直接探测或许不利于或限制了特定的暗物质粒子或情形，但不会影响天文物理方面的大量间接证据，这些证据让暗物质成了唯一说得通的解释。

很多人在不遗余力地研究其他可供解释的物质，但是除非他们曲解了有关暗物质的事实（有人确实这么做了），否则他们就得提供一套庞大的证据来解释。也许在探寻宇宙中伟大的未知奥秘时，我们会走运，这也正是我们会去尝试的原因。但是没找到证据不代表没有证据。涉及到暗物质时，千万别被糊弄过去了。

作者: Ethan Siegel

FY: 卌卅卄十一

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原文地址：今日头条  ,无意在网上看到这篇文章，深有同感。所以分享。

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