[비즈한국] 暗物质。对于天文学家来说，它既是一个迷人的概念，又是一个令人头疼的存在。尽管我们需要暗物质来解释观测到的宇宙面貌，但至今仍未捕捉到其本质的确凿证据。
谈及暗物质这一尚未解决的难题时，人们偶尔会开玩笑说，这不再是天文学家的错，而是物理学家的责任。在过去的几十年里，天文学家通过观测恒星和星系的运动，推断出了暗物质的存在，甚至对其特性进行了初步筛选。然而，天文学家本质上只是观察天空的人。
现在，捕捉那个“幽灵”、扮演“捉鬼敢死队”角色的重任，必须交给物理学家。而最近，物理学家终于宣布捕捉到了一些可疑的迹象。有人主张，经过漫长的等待，或许终于捕捉到了暗物质粒子。这场旷日持久的狩猎真的迎来了成果吗？
首先有必要整理一下暗物质的候选者。由于对其本质一无所知，想象中的候选者着实不少。
首先是WIMP（弱相互作用有质量粒子）。WIMP并不指代某一种特定粒子。它是一类基于弱力规模相互作用、极少发生反应的假想粒子候选者。WIMP相对较重，能与普通物质发生微弱的反应。代表性例子包括超对称理论中提到的中性微子（Neutralino）和希格斯微子（Higgsino）等假想粒子。中性微子是由标准模型中中性玻色子的对称粒子纠缠而成；而希格斯微子则是希格斯玻色子的超对称配对，具有自旋为1/2的费米子特性。此次成为焦点的LZ（LUX-ZEPLIN，勒克斯-泽普林）实验所追寻的“幽灵”候选者，正是这类重型WIMP。
此外还有比它轻得多的轴子（Axion）候选者。轴子是为了确保强相互作用中对称性不被破坏而提出的概念。被称为“第四种中微子”的惰性中微子也常被提及。与现有的其他中微子不同，这种假想中微子连弱相互作用都不参与，只受引力影响。
像WIMP这样沉重的暗物质粒子可以直接撞击原子核。相反，像轴子这样轻盈的暗物质粒子，在原子核上留下的痕迹可能不如在电子上留下的明显。如果暗物质是中微子，则可以通过实验装置内发生贝塔衰变时电子能量分布与预期值的微小差异，来间接确认暗物质的存在。像这样，根据暗物质的种类，探测方法也会有所不同。
遗憾的是，我们连暗物质究竟属于哪种粒子都还不知道。因此，只能敞开所有可能性，同时利用我们已知的所有方法进行实验，一边等待。只有在某处捕捉到确凿的信号，才能知道暗物质到底是哪种粒子。这不像是等待已知身份的罪犯落网的埋伏行动，更像是希望连身份都不清楚的嫌疑人偶尔撞入侦查网。即使捕捉到可疑迹象，确认它是否真的是我们苦苦等待的“犯人”，过程也必然是审慎且困难的。
LZ实验的目标正是这些候选者中能直接撞击原子核的重型WIMP类暗物质。桑福德地下研究设施设在美国南达科他州地下1.5公里处。将暗物质猎场设置在地下深处的原因是来自四面八方的宇宙射线。地表时刻遭受着由宇宙射线产生的缪子等粒子的洗礼。这些粒子在与周围物质反应时会产生中子。中子既是电中性的，又能撞击原子核，它们是既不是暗物质却又伪装成暗物质的“顽固分子”。厚厚的岩层能极大减少这类粒子的影响。而我们寻找的WIMP，由于已知其几乎不与普通物质反应，因此大多能穿透岩层。
LZ实验装置的核心装有7吨液态氙。这正是《极速救援》（Project Hail Mary）中外星种族洛基能够自由操控的成分。当然，与洛基一族不同，我们无法将氙当作固体来处理。在这些液态氙中，实际用于暗物质探测的只有内腔中的约4.7吨，因为外围物质受到污染的可能性较高。
选择氙的原因首先是其原子核较重。氙的原子序数为54，重量可观，液态氙的密度比水重约3倍。因此，那些讨厌的暗物质粒子与氙原子核碰撞并留下痕迹的可能性会更高。不仅如此，外壁的氙还能屏蔽外部辐射，保护内部空间。氙在化学上性质稳定，有利于精确去除杂质。
最重要的优势在于，当WIMP与氙碰撞时，会同时留下两种光信号。首先，WIMP在与液态氙原子核碰撞的瞬间，会在几十纳秒内产生第一道闪光。此时会向四周释放波长为178nm的紫外线，这被称为S1信号。
在此过程中，氙原子核会释放出电子。被释放的电子沿着电场向上移动，穿过液态氙上方的气态层，连续与气态氙原子发生猛烈碰撞。碰撞导致氙原子再次受激，从而释放出第二道光，这被称为S2信号。
S1信号先溢出，紧随其后是S2信号。通过两个信号之间的时间差，可以推断第一个信号在多深处产生。此外，通过上方光传感器探测到的光扩散形状，也能推知信号产生的水平位置。通过这一瞬间发生的连续信号，可以立体地复原信号在探测器内部的精确位置和时间。
WIMP直接撞击原子核产生的“核反冲”，与释放出的自由电子引起的“电子反冲”，其信号形态迥异。通过比较各信号中探测到的光与电荷的比例，可以推测碰撞粒子的身份。就这样，物理学家们布下了一张极其严密的、针对WIMP型暗物质的网。现在，一切都要交给宇宙的偶然。我们期待的偶然主要有两种：第一，暗物质的真面目确实是WIMP，而不是其他种类；第二，那样的WIMP恰好穿过了这个探测器。
从2023年3月到2024年4月，这场持久的狩猎持续了整整220天。狩猎开始后不久的2023年6月16日，捕捉到了一个可疑信号。检测到了看起来像是S1和S2的连续信号。但研究人员并没有立即大惊小怪，而是进入了更加激烈且令人窒息的内部验证阶段。他们带着不安，担心这是否是穿透岩层而来的其他中微子或宇宙射线的恶作剧，并进行了类似于“盲测”的验证。
即使最初捕捉到了信号，研究人员也无法得知信号是在哪个区域拍摄到的，因为数据经过了加密。这是为了防止在中间过程看到可疑数据而产生偏见或误解。只有在所有最终数据收集完毕后，才会打开数据查看。只有这样，才能与观测期间积累的全部数据进行比对，客观判断信号在统计学上是否有意义。
因此，研究人员也是在后来才确认了2023年6月捕捉到信号的事实。当时瞬间掠过探测器的可疑信号，直到3年多后才被外界所知。可以说，这是经过了极其彻底且严谨的审查。
最终分析中使用的信号共有1710起。绝大多数都符合预期的背景噪音趋势。但6月16日捕捉到的两个信号偏离了背景噪音的趋势。信号捕捉位置距离探测器壁足够远，被外界宇宙射线污染的可能性极低。
研究团队推测，此次引发信号的核反冲能量规模至少应超过250keV。这是一个巨大的能量。一般的普通粒子很难以这种水平的能量干扰原子核。仅凭这一门槛值，就能自动排除干扰原子核的许多其他因素。研究团队推测该信号的真面目是希格斯玻色子的超对称配对——希格斯微子。他们欣喜若狂，确认信号后立即开始撰写论文，仅用一天就完成了初稿。
如果真的是暗物质粒子，那么可以认为是一个非常强大的粒子偶然扫过了探测器。虽然数值因模型而异，但该信号的显著性遗憾地只有2.6σ（西格玛），未达到3σ。如果以同样的方式持续探测，这种水平的异常信号再次出现的概率还有0.5%。但这并不意味着暗物质的概率是99.5%。
虽然结果不够让人彻底痛快，但考虑到暗物质本身就是个“短尾巴”（难以捉摸）的存在，这已经是一件相当有趣的事件。如果未来能长时间持续等待类似的信号，积累足够的统计数据，那时我们才能接近一个更明确的结论。
当然，现在谈及“大发现”还为时过早。过去曾有多次认为发现了暗物质嫌疑信号，却因后续独立验证失败而以遗憾的闹剧告终的先例。代表性例子是位于意大利格兰萨索（Gran Sasso）的DAMA实验，曾宣布捕捉到随季节变化的暗物质信号，但韩国的独立检测实验并未证实类似的信号。至今，不仅是意大利和韩国，全球各地的探测器都在进行着无期的暗物质守望。
看着人类与身份不明的暗物质之间这场持久的捉迷藏，很多人认为暗物质最终也会像以太（Ether）一样被历史淘汰。虽有可能，但要简单地将其与以太的情况画等号也很困难。通过无论方向和时间如何，光速测量始终恒定这一无法反驳的实验，占据人类宇宙数千年的以太幽灵彻底消失了。
暗物质的情况更为微妙，甚至可以说更令人头疼。试图证明暗物质的实验很多，但目前尚无确凿证据。同样，也没有确凿的实验方案能明确证明暗物质不存在。要明确证明“暗物质不存在”本身也是一件极其困难的事情。
有人可能会抱怨，当初暗物质的定义本身就被巧妙地设定为“不相互作用的粒子”，所以即使探测不到信号，也可以借口“暗物质本来就是这样”。不可否认，确实存在这种侧面。但我们也不能忽视宇宙中长期观测到的一致现象，即宇宙看起来比表现出来的更重、引力更强的问题。科学中一个神圣而又顽固的原则就是：“缺乏证据并不等同于证据的缺失”。
最终，围绕暗物质的争论只有两个结局：要么明确捕捉到暗物质信号揭开真相，要么对着杳无音讯的探测器，无期地等待暗物质的踪迹。衷心希望2023年捕捉到的那两次短暂信号，能成为宣告这场漫长战斗终结的第一声发令枪。
作者 池雄培（Ji Woong-bae）是？热爱猫咪与宇宙。童年时期看到《银河铁道999》后，立下了传播宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，参与讲座、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用》、《我们都天生是天文学家》、《看到宇宙就会浮现的奇怪问题》等书籍，译有《我为何终结了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等。