来源：Wired

翻译：雁行

这是科学界缺失的最大一块拼图：我们能观测到的物质，仅占所有物质的百分之五。本文所讲述的，是史诗般的暗物质搜寻之旅。

位于加拿大安大略省的SNOLAB实验室

加拿大有一座独特的矿井，名为克雷顿矿。它位于安大略省萨德伯里郊外的森林。在那里，好奇的熊类常常出没，到人们后院觅食覆盆子。矿工们头戴蓝色安全帽，前往地下开采镍矿。他们在漆黑之中，踏入半开半合的升降机，颤颤巍巍地下探到空旷的洞穴内；和他们同行的，还有另一群头戴橙色安全帽的人。这些人的目的截然不同，他们要开采的，是一片虚空。

至少到目前为止，还是一片虚空。

他们是一群物理学家，供职于巨型地下实验室SNOLAB。其深度达2公里，能摞下四个半帝国大厦。SNOLAB的探测器巡视整个宇宙，搜寻一种稍纵即逝的东西：暗物质。人们相信，宇宙中绝大部分物质都由它构成。

这是一场宏大的搜索，但截至目前，我们依然一无所获。

眼下，在宇宙所有物质中，我们能探测到的仅占区区5%，它们构成了所有的星系、恒星、行星、黑洞、类星体、脉冲星、中微子——以及人类和其他所有地球生命。除去它们，其余都是未知的东西：暗物质（25%），乃至更加神秘的暗能量（70%）。我们能观察到暗物质对恒星和星系的引力作用，但经过百般尝试，就是无法用任何仪器，捕捉到它的“暗”粒子。

挠一个宏大的“痒”

为什么要费力捕捉？诚然，我们无法使用暗物质，制造出新一代的宇宙智能手机，也不能用它点石成金。但通过观察暗物质，我们或许能够理解：星系何以聚而不散——以我们观测得到的原子物质来看，它们早该分崩离析了。毕竟，我们所处的银河系，据信就窝在一大片暗物质之中，那就是所谓的暗物质晕。

寻找暗物质还有助于解释深空观测中的光学错觉——即在望远镜观测结果中，一些星系带有奇怪的光弧或光环。研究人员说，这些星系的前景中，有一大团暗物质，其作用相当于巨大的引力透镜，扭曲了来自星系的光，并放大了星系的成像。这种现象被称为引力透镜效应。

简而言之，科学家搜寻暗物质，是为了挠痒——一个宏大的痒。“夜深人静时，你久久不能入睡，思索着‘这一切究竟意味着啥？’就是这样一种痒。”德国弗赖堡大学的实验物理学家丹尼尔·科德雷（Daniel Coderre）说。

研究人员乘坐升降机，下到2千米深处，再在矿井中徒步穿行1.4公里，才能抵达SNOLAB实验室。

“没有结果”不等于一无所获

乔·沃尔丁（Joe Walding）是伦敦大学皇家霍洛威学院的一名物理学家，常去SNOLAB工作。他踏入上下两层的升降机，下探过程需要约六分钟，而且不适合胆小人士：升降机内没有照明，伸手不见五指；顶部是半开放式的，下探过程伴随剧烈的摇晃和撞击，晕厥现象时有发生。“胳膊自然是不能伸出去的，不然会折断。”沃尔丁半开玩笑地说。

他心情不错——这阵子，这里很多物理学家都是如此：今年5月，SNOLAB的科学家接到一则好消息。美国能源部已经批准向该实验室（于2011年启动）拨款，用于建造全新的暗物质实验探测器，定于2020年启动运行。这个超敏感的SuperCDMS将耗资3400万美元，其性能超过该领域任何探测器。它的任务，是发现其他任何探测器都未发现的东西——是不是有些艰巨？

自70年代以来，大把大把的金钱砸入暗物质实验，不论是在太空，还是地下。经过数不尽的挑灯夜算，以及铺天盖地的媒体报道，研究人员始终两手空空。除SNOLAB之外，我们还有LUX实验，它地处美国南达科他州，在一座废弃的地下金矿内，距地面1.6公里，但至今一无所获。法国还有EDELWEISS实验，在阿尔卑斯山下，位于1.7公里的岩石下方，同样毫无进展。

中国有PandaX实验，位于贵州锦屏地下实验室，但也没有找到任何粒子。去年，印度的贾杜戈拉地下科学实验室启动，距地面550米，在一座运营中的铀矿内。目前也是毫无收获（毕竟只找了一年）。如此种种，不一而足。

袁强在造就关于暗物质的演讲

盛行的理论是，构成暗物质的粒子只通过引力——即施加引力——与普通原子物质或光，产生相互作用。SuperCDMS所要寻找的，是这种奇特粒子中的一类：大质量弱相互作用粒子（WIMP）。这是最主要的暗物质候选粒子（也有说是可能性最大的粒子），是多个探测器搜寻的对象。为了创造这些粒子，科学家甚至动用了世界上规模最大、性能最强的粒子加速器：位于日内瓦附近的大型强子对撞机（建造成本近70亿美元）。但也是徒劳无获。

寻找一种未知的事物，虽然一无所获，但还是能要到经费，继续竹篮打水——这样的情况还能维系多久？其实，对毕生追寻暗物质的研究人员来说，“没有结果”的重要性丝毫不亚于有所发现。

“唯一的区别在于：找到了暗物质，你能得诺贝尔奖；但与之同等重要的，是限定暗物质存在的区间。”意大利国家核物理研究所的物理学家沃尔特·富尔吉奥内（Walter Fulgione）说。因为，将这个界限不断收紧，就能排除看似可行的假说，缩窄搜索范围。毕竟，1916年，爱因斯坦就预言了引力波，但探测它用了一个世纪；希格斯玻色子也是历经近半个世纪，才被大型强子对撞机捕获。

研究人员清楚自己在寻找什么，经过年复一年的一无所获，他们得以收紧搜索范围。“这场游戏的玩法，就是通过日积月累，稳步推进，慢慢缩减可能的模型范围。”美国费米国家加速器实验室（FNAL）的天体物理学家丹·胡珀（Dan Hooper）说。

阿维·勒布（Avi Loeb）是哈佛大学的一名天文学家，他将科学描述为“一座知识的孤岛，四面被无知的海洋所围绕。”在一片沙漠中，要找到一头狮子，你可以不断扩大没有狮子的区域，使剩下区域不断缩小，最终锁定狮子的足迹，他说。但这样做的前提，是你知道沙漠里有狮子。好在，多数研究人员都认为，和沙漠之狮一样，暗物质是存在的，它就在某个地方。

子弹星团由两个相互撞击的星系团构成，呈现出暗物质存在的证据。

升降机砸到克雷顿矿的井底，经过一顿窜，总算停稳当了。要抵达SNOLAB，研究人员还得穿越近两公里黑暗、狭窄的隧道，从镍矿矿工和采矿设备旁，小心地绕行。

但他们要留意的，还不只是采矿作业。在地面上，矿井周围常有熊出没。一次，一名研究人员出外吸烟，突然跟三头未成年黑熊打了个照面。一头熊还把头凑到了他的膝盖旁。“他一回来，就猛喝酒压惊。”回忆起当时的场景，沃尔丁忍不住笑了。

这座镍矿启动于上世纪20年代，但物理实验室1992年才成立。之所以选在地下深处，不是因为地面上空间不够，而是为了屏蔽宇宙射线的高能粒子，以免高灵敏度的探测器受到干扰。这些粒子通常是质子，来自宇宙中的遥远角落，到地球大气层中，化成其他无数粒子，散落下来，每时每刻，我们都接受着它们的洗礼。“我们尤其担心的是介子，它们会跟探测器周边的物质发生反应，形成中子，跟暗物质信号混淆。” 科德雷说。不过，厚厚的岩层可以拦截它们，消去这一背景噪音。

虽然SNOLAB（以及别处）的暗物质搜寻至今无果，但在克雷顿矿的帮助下，有一位科学家——阿瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）——凭借中微子研究，荣获了2015年诺贝尔物理学奖。

中微子是一种幽灵般的粒子，几乎没有质量。在超新星爆发等激变发生时，恒星的内核会产生中微子，但地球上也会产生中微子。就像暗物质一样，曾经的它也只是存在于理论中，最早提出于1930年；历经26年，第一颗中微子才被探测到。

为容纳SuperCDMS，实验室将进行升级，增加供电、照明和制冷能力。新的实验装置将包含一个固态锗硅探测器，被冷却到极端低温，跟绝对零度只差丝毫。探测器将由胶囊式的外壳包裹，投入一个水箱，这些水也是一种屏障，可以削减矿井射线的背景噪音。装置的很多组件将在地面实验室组装并测试，包括费米实验室、SLAC国家加速器实验室和西北太平洋国家实验室（PNNL）等地，但最后组装将在地下进行，由SNOLAB完成。

要是SuperCDMS还是毫无斩获呢？同一座矿井中，还有其他一些实验，比如DEAP-3600实验，它的技术略有不同，即使用惰性气体氩气，探测WIMP粒子。沃尔丁就从事于这项实验。在新实验开展的同时，这些探测器将继续搜索WIMP。

但对科德雷而言，围绕暗物质理论，“没有结果”反而提供了一种重要的反馈，迫使理论作出调整。“一无所获固然令人失望，但搜寻一种全新的东西就是这样，这是你必须接受的一种结果。”他说，“暗物质问题存在一个正确答案，现在，这个答案隐藏起来了，而我们正在尽全力找到它。”

这意味着多条“战线”同时出击。在废弃和正在运营的矿井中，在大山深处，在太空之中——很多实验都在搜寻WIMP。真正的关键，在于跨越几十年的稳步积累，慢慢缩小暗物质可能模型的范畴。

“SuperCDMS很可能在它的这条战线上取得扎实的进展。”胡珀说。他还表示，新探测器将聚焦一个新的WIMP质量区间，比其他探测器假设的质量要轻很多。尽管其他实验失败了，但SNOLAB未来实验的胜算并不会因此降低，因为它可以缩小暗物质候选粒子的区间。

当今最灵敏的暗物质探测器

鉴于SuperCDMS还处于规划阶段，我们不妨将视线转向意大利。

在距罗马一小时车程的亚平宁山脉之下，科学家历经几十载，一直在猎寻暗物质。他们的暗物质探测器位于拉奎拉市附近。为抵达实验室，你要进入一条10公里的隧道，开上七分钟，直抵最高峰大萨索山的底部。在一个特殊出口拐出，按一个按钮，再用意大利语向门卫自报家门，接着，两扇巨大的金属门缓缓开启，空旷的洞穴展现在你眼前，那就是大萨索山国家实验室——这里坐落着当今世界最灵敏的暗物质探测器——XENON1T。

实验室成立于1984年，头二十年里，主要研究对象是中微子和宇宙射线。2002年，第一台探测器XENON10启动。此后，它一路升级到XENON100，如今已是XENON1T，试图捕捉WIMP与普通物质的相互作用。

实验室的地下空间硕大无朋，分成三个“大厅”，每个长约100米，宽20米，高18米。XENON1T就处在其中一个。每个大厅都有自己的实验，所有实验加起来有18项。它们涉及各种课题，从探测太阳中微子，到探究太阳内部，到试图捕捉马约拉纳费米子（一种假想粒子）的世界最大探测器。约有950名研究人员供职于该实验室，他们来自32个国家。

在暗物质大厅，最大的架构是一个直径10米、高11米的巨型水箱，很像装粮食的筒仓。它的旁边，是一个三层玻璃建筑，里面塞满低温管、泵、制冷器、子系统和电子设备，它们的目的只有一个：维护探测器。探测器本身位于水箱内部，封在一米厚的不锈钢低温恒温器内。探测器和周围一切都由低放射材料制成，旨在削减背景“噪音”——就像在SNOLAB一样，放射性材料会发射出电子、伽马射线或中子，被探测器捕获；罕见的暗物质粒子要是真的出现了，也会被淹没其中。为进一步抑制不必要的背景干扰（比如宇宙射线），低温恒温器被浸入水箱，由700吨水所环绕，另外，顶上1400米的岩石也发挥了不小的屏蔽作用。

在低温恒温器内部，两吨超低温液氙将仪器包裹了起来。氙气不仅无色无味，而且是地球上最稀有的元素之一，主要产地是俄罗斯、南非和沙特，是炼钢的副产物。

总有一些电子、伽马射线，以及偶尔来自大气的介子，可以突破重重阻碍，闯入探测器内部。而氙原子被这些粒子激发时，会发射出细微的闪光，这是很多稀有气体的共同属性。而液氙有着强大的制动能力——它对路过的粒子十分敏感。

这些闪光会被光学设备捕捉，并进行分析。到目前为止，所有信号都被否定了。“我们要找的，是一种前所未见的信号。只有对背景噪音了如指掌，且背景噪音足够低，这才行得通。”科德雷说，他曾任XENON1T的分析协调员。

XENON1T于2016年启动运营，今年5月发表了最新一批数据，依然没有结果。但科学家表示，他们给暗物质效应值限定的区间，达到有史以来最窄：1平方厘米的万亿分之一的万亿分之一，即4.1乘10的负47次方厘米。效应值又称截面，代表WIMP与普通物质——氙原子——相互作用的强度。为确定效应值，科学家梳理了279天的数据，按照估算，这期间最多可录得十场暗物质事件。结果，什么都没有——也就是说，WIMP肯定比之前假定的还要小。

不论在地下实验室，还是山脉附近的研究设施内，任何时候都有两人值班。他们用平板电脑遥控操作探测器，持续关注数据读数，以免错过暗物质粒子。参与该实验的约有160名科学家，他们来自美国、欧盟和亚洲的26所科研机构。

为确保探测器一尘不染，并尽量避免探测器材料表面或内部进灰，从而混入放射性杂质，在组装时，研究人员要“全副武装”，外套、面罩、靴子等一应俱全。哪怕是一个指纹，都可能毁掉多年的努力。

很快，这一切又要从头来过——今年12月至明年1月，XENON1T将被关停，取而代之的，将是更大的XENONnT。这次更新换代将耗资数千万欧元，由协作各方分摊。外层水箱还是那一个，但这一次，液氙将从2吨变成6吨。新仪器的数据处理工作，预计将于2019年底启动。

如果依然毫无所获，大萨索山的科学家很可能换成更大的探测器，再作最后一次尝试，再不行就要换技术了。“随着大型强子对撞机和XENON大型暗物质实验进入下一阶段，对传统大质量WIMP的搜寻自然会有结论。”费米实验室的丹尼尔·鲍尔（Daniel Baur）说，“未来几年，暗物质被发现的概率还是有的，但要是没发现，通行的WIMP理论可能就不是正解了。”

暗物质搜索“都找错了对象”？

尽管WIMP探测器仍在孜孜以求，但越来越多的科学家围绕暗物质本质，发展起了别的理论，并试图利用实验，进行捕捉。科学家从各个方向入手，试图拼出暗物质的拼图。其中的“拼块”有轴子——质量远远更轻的假想暗物质粒子；以及惰性中微子——一种中性粒子。

日本卫星“瞳”在运行数周后，突然自行解体。

轴子并不是一个新概念，它最早提出于1977年，按照假设，它比WIMP轻得多。几十年来，它反复徘徊于得宠与失宠之间。但如今，鉴于所有WIMP捕捉器都无功而返，很多科学家开始退而求其次，将轴子作为求证对象。

按照理论，轴子与光子会发生相互作用——作用力非常微弱，但依然存在。华盛顿大学的轴子暗物质试验（ADMX）就是以此为切入点，试图捕捉轴子。不同于SNOLAB和XENON1T，ADMX就在一个普通实验室内。探测器装在一个约四米高的水箱里，由一块很大的超导磁铁和一个微波谐振腔组成，原理类似于无线电接收器，华盛顿大学物理学家格雷·莱布卡（Gray Rybca）说。就好比研究人员有一台收音机，要在不知道频率的情况下，搜索一个电台，于是，他们一点一点地扭动旋钮，试图在频率恰好调对时，收听到一个信号。

磁铁会产生强大的电磁场，轴子若是穿过其间，会发出相应的电磁辐射，其能量转化为一种微弱的微波信号，被接收器记录下来。研究人员可以用量子电子学，将其探测出来。比起宇宙射线或放射性活动，该实验寻找的信号，能量要低得多，因此ADMX不需要岩石或水的掩护。但手机、无线网络和电视信号还是要屏蔽的。“它就是一部无线电接收器。唯一的区别在于，实验的第一个步骤，是将轴子转化为无线电波。”莱布卡说。

ADMX建于1995年，已经有些年头了。2010年，它从劳伦斯利弗莫尔国家实验室迁至华盛顿大学。科学家表示，经过不断的升级，以它现在的灵敏度，终于能探测到轴子导致的弱相互作用了。

ADMX的温度是摄氏零下273度，只比绝对零度高0.15度。“制冷和液氦循环方面要投入大量的工作。”莱布卡说。因为有液氦，探测器才能维持如此低温，而且这一点非常重要，因为超导磁铁和量子电子设备要运转，温度必须足够低才行。另外，探测器越冷，背景噪音就越少，探测到的信号就越清晰。

多数情况下，实验室里都安安静静，空无一人，因为数据获取基本是自动化的。不过，研究人员还是要通过互联网，夜以继日地控制与监测实验进展。每年，实验都要停运一次，科学家将系统升温至室温，将磁铁内部的探测器取出。“这是实验室里最热闹的时候：所有人都戴着头盔和低温安全手套，小心翼翼地把系统挪到无尘室，在那里，我们会用几个月时间，给系统安装更新。”莱布卡说。

他坚信，到目前为止，暗物质搜索“都找错了对象”。他说，以ADMX的灵敏度，它足以探测到恰当的信号，剩下要做的，就是在可能的质量中，一个个找过去。“我们终于将音量调得够高了，现在，我们只需转动调频旋钮，直到听到信号。”他说，“我们的胜算不错，比以往任何时候都要高。”

眼下，ADMX正在研究 4G-LTE手机频段对应的频率，但研究人员也在研发新技术，以探索频率更高的Wi-Fi频段，以及频率较低的调幅广播等频段。今年4月，ADMX发布最新结果——依然是没有结果，但对莱布卡而言，这很重要，因为这表明，该探测器具备寻找轴子所需的灵敏度。“如果我们把所有可能的质量扫描了个遍，还是没有结果，其重要性就会从另一个层面体现出来：我们预期轴子是存在的，因为某些核物理现象的解释离不开轴子。若找不到轴子暗物质，我们就面临一个问题：要么我们还不够理解核物理，要么我们对早期宇宙的了解还不够深入。因此，没有结果的结果会衍生出大量问题。”

在捕捉暗物质的行动中，很多科学家都忙着另辟蹊径。很多人甚至另辟引力理论，去解释不需要暗物质、暗能量的宇宙运行方式。不过近期，针对引力波（由两颗中子星碰撞所产生）的直接观测结果出炉，上述理论被干掉一大片。因此，“暗物质存在”这一猜测依然站得住脚。

意大利大萨索山下1400米处，XENON1T探测器被装在一个巨型水箱内。

假想粒子备用理论

若找不到轴子或WIMP，我们还有一个备用理论：惰性中微子。这是一种假想粒子，只通过引力相互作用，而不是像“普通”中微子那样，与普通物质产生微弱的相互作用。

其理论是，特定质量的惰性中微子可能会衰变，产生一种X射线光谱特征，而这种特征能够被X射线光谱仪探测到。于是，日本宇宙航空研究开发机构JAXA联手美国宇航局（NASA），于2016年2月17日发射卫星“瞳”，希望它能充当那个光谱仪。只可惜，它没有坚持多久，在对英仙座星系团作了一番初步观察后，“瞳”突然解体成五块，当时，它只运行了三周。

这颗卫星造价2.73亿美元，可谓损失惨重。但科学家并没有灰心，美国和日本已经造出了替代品——一颗名为XRISM的卫星。未来，它将搭载高解析度X射线光谱仪Resolve和成像仪Xtend，发射升空。该项目已于7月1日获得日本批准。据估计，新光谱仪的建造成本介于7000万至9000万美元之间。

团队将新的光谱仪命名为Resolve（兼有“解析”和“决心”之意），是为了“赋予它更多的含义：既代表功能——将构成X射线的颜色解析出来，也代表决心——团队尽快恢复‘瞳’搁置进度的决心。”理查德·凯利（Richard Kelly）说，他是光谱仪的美方首席研究员。新的光谱仪将根据探测器接收到的热量，对光子进行探测。其运行温度将只比绝对零度高0.06度。它将观测星系团和单个星系，对照科学家对惰性中微子衰变的预测，寻找那个标志性的光谱特征，看看有没有与之相符的能量与强度。

它是基于一种假设，即X射线被探测器的微型像元吸收后，将能量转化为热量，而这些热量会被显微测温仪精确记录下来。Resolve将对X射线进行逐一探测，然后围绕这些能量，形成一个柱状图，即光谱。“按照预期，惰性中微子应该有一个特定的能量值。如果这个能量值处在X射线频段内，我们就能用Resolve，探测单个中微子，进而围绕它们的能量，生成柱状图，也就是光谱。”凯利说。如果这些中微子的能量界限分明，我们就有可能在光谱中，看到一条狭窄的特征线。

XRISM应该在2020年4月到2021年3月期间发射。最后要是一无所获，那么还是一样：没有结果不代表没有意义。“在候选的暗物质粒子中，惰性中微子的可能性就可以排除了，这样一来，候选范围将大幅缩小。”马里兰大学天文学家理查德·穆肖斯基（Richard Mushotzky）说。

对参与其中的研究人员而言，搜寻暗物质有两种结果。借用著名物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的话：“若假设被证实，你完成的是测量；若假设被证伪，你完成的就是发现。”在看似没有止境的暗物质搜寻过程中，“没有发现”的发现承载着重大的意义。