最近的一项实验对主流暗物质理论提出了挑战，并暗示了揭开宇宙最大谜团之一的新方向。

勒克斯-泽普林（Lux-Zeplin）实验中央探测器，即时间投影室，此时位于地面实验室的无尘室中，之后它就会被运往地下

暗物质被认为是宇宙中最普遍的物质形式，其质量大约是恒星和星系中正常物质的五倍。问题只有一个：尽管经过了半个世纪的努力，科学家只找到了暗物质存在的间接证据。如今，一个超高精度新设备的测量结果表明，科学家可能找错了方向。

宇宙中某些现象不太对劲。星系的运动速度过快，旋转速度过快，这些都无法用已观测到的宇宙物质和公认的物理定律来解释。对此，最主流的解释是，宇宙中弥漫着大量看不见、摸不着的物质。这种物质暂时被称为暗物质，它可以与正常物质发生引力相互作用，但暗物质既不发射光，也不吸收光。

虽然有多种暗物质的候选形式被提出并被否决，但自20世纪90年代末以来，科学界已经明确地看好一种被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）的暗物质候选形式。人们普遍认为WIMP（如果真的存在）是稳定的亚原子粒子，呈电中性，质量范围在100至100 000 GeV之间。

根据主流理论，尽管WIMP会产生引力，但它们无法被直接观测到。与坍缩成恒星和行星的正常物质不同，WIMP暗物质以巨大的“气体”云形式存在，围绕并渗透到星系（包括我们所在的银河系）中。如果这些云团存在，那么暗物质“气体”也会存在于太阳系中，并形成一种不断穿过地球的“WIMP风”。根据单个WIMP的质量，当你举起拳头时，你的手中也许就有一个WIMP粒子。

光电倍增管阵列，用于探测勒克斯-泽普林实验液态氙探测 器内发生的粒子相互作用信号

尽管使用了一系列越来越灵敏的探测器，科学家仍未能找到这种WIMP风。自20世纪80年代中期以来，探测器的灵敏度已提高了一百万倍。目前世界一流的探测器中有一台叫作勒克斯-泽普林实验装置（LZ）。它使用了10吨液态氙，将其冷却至大约-100°C，并将它们置于地下约1478米的桑福德地下研究中心（SURF）中。这个地方曾是一个废弃的金矿坑。

这样的深度可以屏蔽来自空间宇宙线的持续轰击，防止其“伪装”成暗物质信号。在随后的分析中，探测器仅使用了中央核心区域的7吨液态氙，在核心外围壳层的3吨液态氙中所出现的信号事件会被排除。这确保了任何可能的WIMP探测都能被精准地测量到。

LZ等待着WIMP穿过探测器并撞击氙原子。根据预测，碰撞产生的碎片会穿过仪器并留下可被探测到的信号。在运行了280天（预期运行时间为1000天）后，LZ的科学家并未在探测器中发现WIMP的踪迹。他们最近在Tev粒子天体物理学（TeVPA）等会议上报告了他们的研究结果。相关的科学论文正在撰写中，但由于公布的结果尚未经过同行评审，因此需要谨慎对待。

LZ公布的测量结果显示，对WIMP质量和相互作用概率的排除范围扩大了五倍。虽然WIMP仍可能存在，但当前的测量结果使其存在的可能性进一步降低。不过，有一个质量范围未能被LZ排除：分析报告中未考虑WIMP质量低于9 GeV的情况。

考虑到大多数WIMP理论倾向的质量范围为100至100 000 GeV，如果暗物质如此之轻，那么暗物质就有可能根本不是WIMP。LZ研究人员正在继续分析数据。他们之所以没有考虑低于9 GeV的质量范围，并不是因为没有取得相关数据，而是因为低质量的分析非常困难，在得到任何结果之前都必须更加谨慎。

未来，更大型的液态氙实验将能够进行更加灵敏的测量，然而，对WIMP实验的改进有其上限。要知道，地球不断沐浴在一种被称为中微子的粒子中。这些中微子既有来自太阳核反应的，也有来自宇宙射线的。实际上，地球就像处在中微子雾中。

不幸的是，WIMP探测器中的中微子相互作用与暗物质相互作用看起来非常相似。因此，当暗物质实验的灵敏度高到足以检测这种中微子雾时，探测暗物质相互作用将变得不可能。这就像在一场摇滚音乐会上试图听到悄悄话一样。

灵敏度比LZ高约10倍的探测器能够检测到中微子雾，但研发具备这种灵敏度的探测器可能需要10到15年时间。而一旦达到这一水平，传统的WIMP搜寻将无法进行。

这是否意味着暗物质搜寻即将走到尽头？完全不是。毕竟，星系的异常运动仍需要一个解释。暗物质可能是某种非WIMP形式的物质。事实上，一些科学家正将注意力转向一种质量更轻的暗物质候选者——轴子。与WIMP类似，轴子尚未被探测到，但轴子的探测需要与WIMP完全不同的技术。对暗物质的搜寻仍将继续。

资料来源Big Think

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本文作者唐·林肯（Don Lincoln）是美国费米国家实验室资深研究员