（來源：麻省理工科技評論）

在亞平寧山脈的地下、四川錦屏山的深處、南達科他州一座礦井的底部，一場宇宙級別的追捕正在進行。

深埋在這些巖石屏障下面，裝滿液態氙的巨型探測器試圖首次直接探測到暗物質——那種人類尋找已久的隱形物質，它的引力塑造了我們的宇宙。

研究者希望有一天，一顆被稱為“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）的暗物質粒子會撞上一個氙原子，產生一束閃光和一股電荷。這些實驗運行了好幾年，最近開始捕捉到一種稀有的信號，一種像幽靈一樣穿過普通物質、偶爾才撞上探測器的粒子。遺憾的是，這個信號不是暗物質產生的。探測器捕捉到的是一種同樣飄忽不定但普通得多的東西：中微子——太陽和其他恒星大量產出的超輕亞原子粒子。

在預想的位置找不到暗物質，促使物理學家提出了大量新的搜尋方案：量子傳感器、液態氦探測器、在木星大氣層中搜索，等等。

物理學家幾十年前就知道這個中微子背景噪聲的存在，只是寄希望于在中微子成為干擾之前先找到 WIMP 暗物質。然而，如今的希望越來越渺茫了。當今的一些 WIMP 探測器實在太大、太靈敏了，它們正在進入所謂的“中微子迷霧”中——中微子信號很可能淹沒真正要找的目標。沒有任何屏蔽手段能擋住中微子，它們輕輕松松就能穿過整個地球。這意味著下一個用這種傳統方法搜尋 WIMP 暗物質的實驗，可能就是最后一個。

但撞上中微子迷霧并不意味著暗物質搜尋的終結，研究者只需要換一個方向。“我們沒有看到 WIMP 暗物質。”加州理工學院理論粒子物理學家凱瑟琳·祖雷克（Kathryn Zurek）說。科學家也沒有在橫跨法國和瑞士邊境的強大質子對撞設施大型強子對撞機（LHC）中發現新粒子。“所以人們自然會把視野放寬。”祖雷克說。視野一放寬，等著被檢驗的候選者還有很多。

換句話說，這場搜尋正在從一個窄小的探測變成一場全面鋪開的行動，這是一個很大的轉變。今天的粒子物理學家對暗物質身份的把握，反而不如他們剛開始找的時候。他們會坦率地承認：連最基本的問題都不能想當然——比如暗物質的組成成分比地球重還是比無線電波輕，暗物質是一種粒子還是十幾種。

這種不確定性令人沮喪，甚至讓人謙卑。“候選者可能存在的范圍太大了，任何一個小實驗找到它的概率都非常非常小。”加州大學圣巴巴拉分校暗物質實驗物理學家休·利平科特（Hugh Lippincott）說。

但在預想位置找不到暗物質，也催生了大量新搜尋方案：量子傳感器、液態氦探測器、在木星大氣層中搜索，等等。“現在大家非常興奮。而且終于有了合適的技術。”華盛頓大學物理學家格雷·里布卡（Gray Rybka）說。他聯合領導著一項搜尋軸子（一種超輕暗物質候選粒子）的實驗。

但可以找的地方這么多，物理學家該從哪里重新開始？

天文學上的無知

先從宇宙的誕生說起。暗物質從一開始就跟我們在一起，那些早期歲月有很多東西可以學。宇宙早年發出的第一縷光充滿了由底層物質分布不均勻造成的波動，讀這些宇宙“殘渣”，研究者能看出宇宙中只有 17% 的物質是由質子和中子這樣的普通粒子組成的，剩下 83% 是暗物質。暗物質除了引力之外，跟光和普通物質幾乎沒有任何相互作用。

雖然看不見暗物質，但它的引力留下了大量線索。我們知道銀河系周圍包裹著一團暗物質，因為太陽系繞銀河中心轉的速度太快了，光靠普通物質的引力根本拽不住。沒有暗物質在旁邊拉著，我們早就被甩進星系間的虛空了。我們還能看到暗物質的質量會彎曲經過它的光線，就像透鏡一樣。把視野拉到最大，超星系團在太空中的分布就像蛛網上的露珠——這種結構離了暗物質，任何宇宙學理論都解釋不了。

但所有天文學和宇宙學的證據對“暗物質到底是什么做的”幾乎一無所知。“它告訴不了你單個組成成分是什么，只能告訴你一大堆放在一起的總效果。”利平科特說。他領導著 LZ 實驗，一臺目前在南達科他州前霍姆斯塔克礦井里運行的 WIMP 暗物質探測器。

WIMP 這個概念是 1980 年代提出來的。當時理論家們在想怎么擴展標準模型——粒子物理學的總框架，描述了宇宙中所有基本粒子和它們之間的相互作用。標準模型很強大，但有缺口，最明顯的就是沒有包含引力，所以需要補充。當時最流行的補充方案叫超對稱（簡稱 SUSY），核心思路是：宇宙中每一種已知粒子都應該有一個尚未被發現的“超伙伴”。要解釋為什么超伙伴至今沒被探測到，它們就必須質量很大（大到現有對撞機夠不著）、而且跟普通物質的相互作用極弱，能像幽靈一樣穿過物質。換句話說，超伙伴就是 WIMP。物理學家很快意識到 WIMP 同時也是絕佳的暗物質候選粒子：兩個問題，一個粒子全解決。

超對稱這個想法太誘人了，很多粒子物理學家指望 LHC 一開機就能看到 WIMP。結果 2008 年 LHC 啟動，數據一批批出來，最有希望的超對稱理論基本被排除了。WIMP 倒是活了下來，只不過跟催生它的那套理論脫了鉤。

但現在看來，WIMP 如果存在，可能已經超出了我們當前的探測能力。困難有很多，最棘手的一個可以這樣理解：你在大海撈針，偏偏海里還有幾根長得像針的東西。中微子和探測器里的氙之間偶爾會發生相互作用，雖然概率極低，但產生的信號跟暗物質的太像了，分不清楚。

如果還有最后一次 WIMP 實驗，它得搜遍 WIMP 所有可能藏身的角落，連中微子迷霧里面也不放過。有一個叫 XLZD 的項目正是為此設計的（名字拗口，是幾個現有合作項目拼在一起的縮寫），計劃使用 60 到 80 噸液態氙——相當于全球一年的氙產量，比目前最大的探測器多至少六倍。但這個項目可能已經黃了：2025 年 12 月的一次粒子物理學會議上，美國能源部宣布既不承辦也不出錢，而項目造價可能遠超 3 億美元。“這個項目可能根本做不成了，”利平科特說，“美國一退出，基本上就等于判了死刑。”

與此同時，暗物質的搜尋范圍在急劇擴大。2022 年研究者畫了一張巨大的候選者分布圖，把暗物質可能的組成和對應的質量都標了上去。候選者主要分布在兩個區間，跨度大約 50 個數量級——10 后面跟 49 個零。最重的一端是原初黑洞，一種假想的天體，大小跟小行星差不多，可能在大爆炸后不久就形成了，至今還在宇宙中飄蕩。

但很多物理學家最感興趣的是最輕的那頭：軸子。

側耳傾聽

跟 WIMP 一樣，軸子最初也是為了修補標準模型才被提出來的。它要解決的是強核力的一個未解之謎——強核力是把原子核黏在一起的基本力。理論上，它處理物質和反物質的方式可以不一樣，但實驗顯示它偏偏完全一樣，沒人說得清為什么，這個現象被叫作“強 CP 問題”。1970 年代理論家提出了一個辦法：加入一種極輕的粒子，質量只有電子的萬億分之一到百萬分之一，或許就能把這個問題解決。這就是軸子。

軸子數量龐大，跟普通物質幾乎不發生相互作用——正好是暗物質必須具備的兩個特征。但要探測到它很難。軸子攜帶的能量微乎其微，大約跟一個無線電波差不多，傳統粒子探測器根本感覺不到。（LHC 里質子對撞釋放的能量大約是軸子的 100 億億倍。）

物理學家想了一些招。最有希望的一種是把一個超冷腔體加上強磁場當成收音機用，調到特定波長上“收聽”。如果恰好有一顆軸子跟腔體共振（也就是波長對上了）它就有機會變成一個光子，那就好檢測多了。第一臺全尺寸探測器叫“光暈鏡”（haloscope），1994 年在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室建成。今天全球有一批這樣的探測器，名字都很古怪：MADMAX、ABRACADABRA。

拿一臺宇宙收音機去聽一顆隱形粒子，需要極其精細的操作。量子傳感器要冷卻到毫開爾文——離絕對零度只差零點幾度。即便如此背景噪聲也消不干凈。“有一次我們檢測到了一條‘上帝的信息’，”里布卡自嘲地告訴我，“一查聯邦通信委員會的頻譜分配表，是一家宗教廣播電臺。”

到目前為止，物理學家大概搜索了能解決強 CP 問題的軸子可能存在的參數空間的 10% 到 20%。但搜尋不止于此，他們也在找那些不解決強 CP 問題、但仍然可能是暗物質的軸子。“越來越多的人在專門為暗物質構建模型，哪怕跟其他問題無關，”加州大學圣克魯茲分校理論物理學家戈里說，“當然，能一次解決兩個問題就更好了。”

靜靜的革命

暗物質遲遲找不到，物理學家的心態也在變。候選者不再需要 WIMP 那種理論上的優雅，也不需要軸子那種簡潔，而是退而求其次，只要符合暗物質的基本要求就行。

這類“不挑剔”的候選者中最有代表性的是低質量暗物質，質量介于電子和質子之間。石溪大學理論物理學家埃西格打了個比方：WIMP 是臺球，低質量暗物質是乒乓球。乒乓球砸到保齡球瓶上，力道太小，撞不出清晰的信號。“必須想出全新的探測方法，也需要全新的技術。”埃西格說。

研究者設計了各種新型探測器，裝在世界各地的地下實驗室里，很多就緊挨著老一代 WIMP 探測器。有的找粒子撞飛電子的痕跡，有的盯著晶體，看晶格被輕輕撞一下后有沒有微微顫動。還有原型機用液態氦——一種極靈敏的超流體，暗物質粒子打上去應該會濺起“水花”。

但有個麻煩：噪聲。暗物質探測實驗都受外部噪聲困擾，低質量暗物質搜尋還得對付探測材料本身的內部噪聲。晶體里的原子晶格就像擁擠的地鐵車廂，天然會晃來晃去、擠壓“乘客”（電子）。這不是找暗物質時想要的安靜環境。

噪聲已經造成過困擾。2020 年，好幾臺搜尋低質量暗物質的探測器都冒出了大量出乎意料的信號。有人猜：這會不會就是暗物質？查下來發現大部分信號的噪聲來源都能找到，答案很明確：不是。

背景噪聲什么地方都可能來。硅基探測器里的雜質會產生噪聲；在地表放太久的材料會被宇宙射線照出輕微的放射性；有一次實驗里，一個晶體探測器被螺絲擰得太緊，多出來的壓力產生的振動看起來跟暗物質信號一模一樣。“搞清楚背景噪聲從來都難，”勞倫斯伯克利國家實驗室的實驗物理學家麥金西說，“但我們跳到新的探測范圍太快了，快到整個領域突然不清楚主要的背景噪聲是什么了。”

控制噪聲越來越重要，因為低質量暗物質的實驗正在變大。幾年后麥金西和同事打算在法國莫丹、意大利邊境 1700 米厚的巖層下面安裝一批桌面大小的實驗裝置。其中一個是裝著大約一湯匙超冷液態氦的容器。如果一顆低質量暗物質粒子撞上液面，產生的振動會把數千個氦原子噴向上方，上面的硅探測器負責捕捉電壓的微觀變化。其他裝置用的是藍寶石-二氧化硅晶體和砷化鎵（一種半導體）。

這些實驗的目的是篩選出最好的技術路線，然后再建更大、更靈敏、也更貴的探測器。“想法還很多，哪種最適合放大規模還說不準。”埃西格說。現在的原則是：只要放得下桌面、理論上能測到暗物質，就值得試。

引力至上

搜獵場不局限于桌面，也不局限于地球。有人建議別只在地下實驗室里找，也去行星、恒星和衛星上看看。如果暗物質粒子偶爾在相遇時互相湮滅，可能會電離行星大氣中的氫，產生一道從太空就能看見的紫外極光。這種自湮滅釋放的熱量可能很大——大到足以熔化行星的內核。地球的內核是固態的，這本身就能反過來約束暗物質的性質。更精確地測量行星內核溫度，能把約束條件收得更緊。

用天文現象來搜尋暗物質不是新思路，但近年來物理學家的方案越來越有想象力。一個特別吸引人的建議是：去看木星衛星木衛三的冰封海洋。如果暗物質非常重——比如是一顆原初黑洞——它可能打穿冰面，留下一個跟小行星撞出來的完全不一樣的坑。

也有物理學家認為應該把現有假設全放下，回到最基本的地方重新出發。“我們關于暗物質的一切認知都來自它跟引力的相互作用。”加州理工的祖雷克說。如果專注于引力這條線索，至少“你一定能學到東西”。

我們知道暗物質在星系尺度以上是怎么表現的。“再往小了看，暗物質怎么在引力作用下聚到一起，我們幾乎一無所知。”祖雷克說。比如在一個太陽系的范圍里，它是怎么分布的？

這不是一兩年甚至五年能做的事，而且現有技術的靈敏度遠遠不夠。祖雷克做的是真正長遠的打算。“大概需要幾十年，也許一百年，”她坦言，“但我這輩子可能看不到了。”

也許將來有一天，物理學家可以通過監測遙遠脈沖星（死亡恒星的旋轉殘骸）的精確計時，或者測量被激光懸浮的原子之間引力的微小擾動，更多地了解暗物質的真面目。

眼下這個問題的規模令人發怵，尤其跟粒子物理學家以前解決過的問題比。LHC 開機之前，找希格斯玻色子的人已經把搜索范圍框得很窄了。嚴謹的理論計算和扎實的實驗數據告訴他們：如果希格斯存在，質量一定在質子的 120 到 150 倍之間。LHC 開始對撞后沒多久，希格斯就從數據里冒了出來，正好是質子質量的 133 倍。

暗物質完全是另一回事，幾乎是個徹底的謎。里布卡說猜它的質量或相互作用強度就像“從帽子里抽數字”。“我們連帽子長什么樣都不知道。”

這么多未知數面前，成功毫無保障，研究者自己也清楚。“沒有誰保證你能發現什么。你可能在徹底浪費時間。”埃西格說。

但這沒有讓他和其他人退縮。“問題的性質就是這樣。我們得大范圍搜、各種方法都試，”埃西格說，“沒興趣的話，還是去干別的吧。”

https://www.technologyreview.com/2026/06/18/1138755/search-for-dark-matter-blown-wide-open/