黑暗中的三个闪光

（文 / 苗千）

( 在美国明尼苏达州北部一个废弃的矿井里，研究人员正在使用CDMS粒子探测器做实验 )

现在人们对于暗物质的寻找似乎陷入了僵局——我们知道它就在这里，实际上它无处不在，弥漫在我们的身边，它通过引力作用使得星系聚拢在一起，它甚至占到了宇宙中80%的质量（相比之下，我们所熟悉的普通物质倒是显得不寻常了），但我们就是找不到它。

粒子物理学家和宇宙学家们把暗物质粒子探测器发射到宇宙空间中，或是深埋在地下，希望可以直接或是间接地探测到暗物质粒子。虽然总会出现一些似是而非、令人迷惑的结果，但是人类至今都无法确认发现了暗物质粒子。在2013年4月初，美国科学家丁肇中的团队发表了在太空中进行暗物质探测的阿尔法磁谱仪-02的实验数据，在粒子物理学界引起了很大轰动，但实际上，他们并没有找到发现暗物质粒子相互湮灭的切实证据。

暗物质之所以如此难以探测，最重要的原因就在于人们对于暗物质粒子的性质仍然一无所知，人们不知道暗物质到底怎么样与普通物质的粒子发生作用，也不知道暗物质粒子的质量大概是多少，甚至不知道暗物质是不是像普通物质一样以基本粒子的形式存在。这给探测暗物质的物理学家们带来了极大的困难，因此他们甚至不清楚什么样的实验结果才能算作是真正发现了暗物质，只能不断提出暗物质粒子的数学模型进行预测，并且希望实验结果与理论预测相吻合。

长久以来对暗物质劳而无功的探测难免让物理学家们感到一丝懈怠，但是最新的一些实验结果又开始让他们重新兴奋起来，这个实验结果来自地下。在地面以下714米，美国明尼苏达州北部一个废弃的矿井里，科学家们在其中安置了一个被冷却到接近绝对零度的“低温暗物质探测仪”（Cryogenic Dark Matter Search），在这个仪器里放置了用锗和硅加工的碟片探测器。科学家们希望在极低的温度下，再通过头上700多米的地表岩石来隔绝大部分来自太空的高能宇宙射线之后，可以观察到地壳中的暗物质粒子与锗或者硅原子核发生碰撞，而这将是暗物质粒子存在的直接证据。低温暗物质探测（CDMS）项目在实验中，在硅碟片探测器上观测到了三个明显信号，在0.4微开尔文的温度下，硅原子核受到了碰撞，释放出了微弱的电信号和热信号，这个信息被探测器捕捉到，这三个信号很有可能与暗物质粒子有关。

2013年4月13日，在美国丹佛举办的美国物理学会（American Physical Society）的会议上，来自低温暗物质探测项目的成员，麻省理工学院的研究生凯文·麦卡锡（Kevin McCarthy）公布了这个实验结果：最新发现的这三个“事件”，可能是来自“弱相互作用重粒子”与探测仪器中的硅原子核发生碰撞。而这个目前存在于理论中的“弱相互作用重粒子”，正是在很多高能物理学模型中的暗物质粒子的候选者，如果这次的实验结果可以得到证实，意义自然将会十分重大。

但是这一次CDMS项目显然希望处理得更加低调。在2009年，这个团队曾经有过类似的发现，他们在19个锗探测器上发现了两个弱相互作用重粒子与原子核相撞的“证据”，在对外发布的新闻稿中，他们并没有声明这是一个科学发现，但仍然在物理学界引起了很大反响。但是随后，其他的粒子物理学家认为，这些证据并不一定是来自暗物质粒子的撞击，也可能是背景噪声或是其他粒子与探测器发生了碰撞。这一次CDMS项目显然不想重蹈覆辙，因此并没有对外发布新闻稿，凯文·麦卡锡在发言时也说：“我们不认为这个结果属于发现的级别，但是它需要进一步的研究。”

这个令人震惊的实验结果还是马上就传遍了全世界，引起了很多粒子物理学家的关注，主要是因为这次的实验结果更加“清晰”，也就是说，它更有可能是来自暗物质粒子的碰撞。另外，这个结果也更容易被“证伪”，因为如果它真的是来自暗物质粒子，那么在世界上其他地方的低温暗物质探测器将会很快发现同样的结果。

根据CDMS项目的实验结果，如果这三个“事件”来自弱相互作用大质量粒子的碰撞，那么，这种粒子的质量大概是质子质量的8.5倍左右，远小于之前的理论预测——在大多数的理论模型中，预测弱相互作用大质量粒子的质量都在质子质量的100倍左右。但是这个轻质量弱相互作用重粒子的探测结果也与其他几个探测结果相类似：2010年，由芝加哥大学宇宙学家胡安·科勒（Juan Collar）领导的相干锗中微子技术（Coherent Germanium Neutrino Technology）项目探测到了类似的低质量弱相互作用重粒子；2011年，在意大利格兰·萨索国家实验室进行的“超导温度计寻找稀少事件”（Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers）项目也观测到了类似的轻质量弱相互作用重粒子的痕迹。但是这些似是而非的实验结果，都不能被认为是发现暗物质粒子的确凿证据。

目前国际上有很多进行暗物质粒子探测的实验室，除了在太空中对于宇宙射线进行分析的阿尔法磁谱仪-02外，更多的是深埋地下的低温暗物质探测器，希望通过暗物质粒子与原子核的碰撞来进行探测。在这个江湖中，各个实验室之间的竞争关系甚至大于合作关系，这在基础物理学研究领域是罕见的。很多科学家都希望成为第一个“发现”暗物质粒子的人，同时也担心被别人抢先，这将会使自己的研究项目的意义大打折扣。另一部分的原因在于，人们对于暗物质粒子仍然一无所知，对于它的性质和质量甚至没有大概的了解，这样，任何实验结果都显得不是特别可靠。对于那些用时几年发现的几个暗物质粒子的“信号”，很难与背景噪声区别开，而中子与原子核的碰撞或是高强度的伽玛射线也有可能造成同样的结果，这使得每一个暗物质粒子实验的结果都备受争议。早在1998年，在意大利的DAMA项目就声称，他们通过在格兰·萨索山脉下埋藏的9个碘化钠晶体探测器，探测到了一系列暗物质粒子存在的证据，并且他们探测到的暗物质粒子的数量随着季节（地球与太阳的距离变化）更替而变化，但是这个结果至今仍然饱受质疑而不被科学界所承认。

这次CDMS项目的最新探测结果，虽然按照惯例尚未取得科学界的信任，但是人们对它的热情明显高了许多，因为这个结果起码看起来更加像是暗物质粒子。胡安·科勒就像是评价一个婴儿一样地评价说，这个结果看起来“非常健康，非常强壮”。

如果暗物质粒子真正存在，那么其他几个暗物质探测装置将会很快探测到类似的结果，其中最有可能的就是大型地下氙暗物质实验（Large Underground Xenon Dark-matter Experiment）。这个实验室位于美国南达科他州1478米的地下，通过液态氙来探测暗物质粒子，这个仪器也已经开始收集数据，如果轻质量弱相互作用重粒子确实存在，这个仪器可能会收集到数以千计的它们与原子核相撞的信号。

CDMS项目根据这个最新的实验结果撰写了论文《通过CDMSⅡ硅探测器的暗物质搜寻结果》（Dark Matter Search Results Using the Silicon Detectors of CDMSⅡ），它将发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。在这篇由89个作者、20家研究机构共同完成的论文中，表述同样十分谨慎，并没有声称通过实验得到了任何发现，并且说明这个实验的置信度达到90%，但是有5%的可能是由于背景噪音而产生的。

目前，对于暗物质粒子的探测，已经成为粒子物理学领域最大的挑战，这个难题也在激发着越来越多的粒子物理学家的兴趣。如果CDMS项目的实验结果最终被证实是由暗物质粒子触发，这将是人类粒子物理学领域的一大进展，同时也标志着人类对于宇宙的认识进一步加深。人类将会需要一个超越标准模型的新模型来包含暗物质粒子，但是这一切，仍然需要更多确定的实验结果来支持。如果最终证明暗物质粒子无法被探测，人类将面临更大的挑战，对于宇宙和物质的认识也将随之改变。 暗物质存在形式原子核闪光粒子物理学黑暗三个