宇宙中六分之五的東西似乎不見了，我們就是找不到。這些看不見的物質被稱為“暗物質”，科學家們通過一些世界上最大、最昂貴的實驗來尋找它。

一次又一次，這些實驗空手而歸。最近，氙氣實驗的科學家們在經過9個月的搜尋後，沒有找到他們想要的訊號。氙氣實驗是一種非常敏感的液態氙氣。世界上最大的粒子加速器大型強子對撞機（位於瑞士日內瓦）也沒能找到任何東西。所以，你可能會想，我們在找什麼，為什麼？為什麼世界上的物理學家對什麼是“暗物質”有如此深刻的分歧？

在潔淨室內組裝後的氙氣時間投射室

暗物質是超大而奇怪的東西

早在19世紀末，科學觀測就告訴我們，宇宙比它看起來的要大。科學家們現在認為瑞士物理學家弗裡茨·茲威基是暗物質之父。茲威基意識到彗星群中的星系似乎移動得太快了。他認為星團中的品質應該是他所能看到的品質的400倍，有點過沖，並稱之為“暗物質”。

瑞士物理學家弗裡茨·茲威基是暗物質之父

薇拉·魯賓和其他人在20世紀60年代和70年代的研究表明，星系本身必須比已知的引力定律還要大。有品質的物體有引力，品質越大，它們對其他物體的引力就越大。萬有引力定律預測，在巨大的旋轉系統（如太陽系或恆星集合）中，最遠區域的物體移動速度應比靠近中心的物體慢，並繼續減慢。

但是這些科學家觀察到星系外邊緣的恆星沒有減速，它們以相同的速度圍繞星系中心執行，甚至比接近中心的恆星還要快。這意味著恆星承受了更多的引力，並且處於一個比預期品質更大的區域。要麼是物理定律錯了，要麼是在該區域還存在一些奇怪的、更黑暗的東西。

事實上，在我們整個宇宙中，大品質天體表現得好像比它們看起來還要大。在距地球37億光年的子彈星系團中，看似空的區域仍然具有足夠的引力來彎曲從它背後的星系發出的光。

子彈星系團的引力透鏡研究據稱為暗物質的存在提供了迄今為止最好的證據

但是，正如芝加哥大學物理學家丹·胡珀在最近的一次會議上所解釋的那樣，暗物質最重要的證據來自對宇宙自身大尺度結構的觀測。它似乎毫無緣由地呈現出某種引力結構，所以我們必須把這些至今無法察覺的東西結合在一起。現在的計算表明，這種暗物質的數量大約是普通物質的五倍。

為了理解這些奇怪的觀察結果，已經並將繼續進行許多嘗試。一些人甚至認為暗物質可以用非常暗的物體來解釋，比如那些不發光的恆星（理論學稱為"巨大緊湊光環物體"或"MACHOs"）。這個想法後來被駁倒了。

最被廣泛接受的假設是暗物質是由弱的基本亞原子粒子組成的，在我們的常規物質地球上，這些粒子太弱，我們無法在這裡注意到，就像微風太輕，無法推動磚房。

自從千年之交以來，科學家們相信這些粒子隨時都會被發現。但現在已經不是這樣了。由於WIMPs還沒有被發現，物理學家們對暗物質產生了分歧：是WIMPs還是某種奇怪的東西？

“至少15年前，當人們談論暗物質時，他們互換使用‘暗物質’和‘WIMPs’兩個詞。”胡珀告訴我們，“這是一個漸進但意義重大的轉變，不過現在沒人再做那種事了。人們現在對暗物質是由什麼組成有了更廣泛的全球概念。”

在子彈星系團中，光線在空的空間中彎曲。研究人員現在相信這些區域含有暗物質。

奇蹟

隨著2012年希格斯玻色子的發現，粒子物理學家認為他們已經確定了構成宇宙的所有粒子，以及它們之間的所有作用力，完成了

標準模型。這是一個一致的理論，但它有漏洞。它就像一個地圖上的洞穴，裡面還有一些神祕的地方、奇怪的和無法解釋的“風”從那裡吹出來。

一個這樣的神祕區域包含了一個未發現粒子的新領域的潛力——每個存在的粒子都存在一個邪惡孿生體。這些理論化的映象世界粒子，被稱為“超對稱伴隨子”，比標準集更大。幾十年來，物理學家一直對這種“超對稱性”感到好奇，它可能會潛在地回答關於標準模型的一些最重要的懸而未決的問題，比如為什麼引力與其他力相比是如此的弱，特別是控制亞原子粒子之間某些行為的“弱核力”。

儘管暗物質和超對稱性有著各自的起源，但在20世紀90年代還是一致。當物理學家們意識到，如果存在超對稱粒子，它們可能是解釋暗物質的額外品質的“WIMP”，這種巧合被稱為“WIMP”奇蹟。1996年的一份報告寫道：“在眾多的WIMP候選物中，可能動機最好、理論上也最成熟的是超中性子（neutralino），它是許多超對稱理論中最輕的‘超對稱伴隨子’。” 換言之，“超對稱伴隨子”會成為“WIMP”。

大型強子對撞機

對“WIMP”的搜尋經歷了兩條不同的道路。一種方法是使用大型強子對撞機將質子（亞原子粒子）撞擊在一起，以期在由此引起的碰撞中發現一些異常現象，這是以前未被發現的粒子可能是暗物質的徵兆。到目前為止，LHC物理學家還沒有發現任何這樣的粒子。但是他們沒有完成搜尋，他們也不會很快放棄。

有幾個實驗採用了第二種方法。如果宇宙的六分之五有可能是由“WIMP”構成的，那麼這些粒子中的一些一定會撞擊地球。加拿大、義大利和南韓正在進行這些實驗，他們將用來探測來自太空的“WIMP”超靈敏探測器深埋在地下，以阻止任何額外的粒子（如宇宙射線）干擾這個裝置。這個想法是暗物質粒子會和探測器的物質發生輕微的相互作用。

義大利最靈敏的實驗氙1T，工作人員正在檢測實驗裝備

迄今為止最靈敏的實驗是氙1T，它位於義大利的一座山下，使用一噸低溫液體氙作為探測物質。它還沒有在九個月的搜尋中找到它目前的“WIMP”。或者更確切地說，它發現了很多暗物質不可能擁有的屬性，讓我們了解了暗物質可能擁有的屬性。

這就像通過在空白空間中繪製輪廓一樣。到目前為止，科學家們已經排除了所謂的"普通的WIMP"的概念，或者關於WIMP可能是什麼的最基本、最明顯的想法，他們一致認為真正的WIMP可能非常陌生，而且不太可預測。

雖然WIMPs尚未被發現，但這個理論並沒有消亡。在WIMP搜尋領域，大多數人覺得WIMP仍然在那裡，等待被發現。儘管如此，人們還是變得焦躁不安。

野生的WIMPs在哪裡（不是）

今年2018年春天，物理學家們在加州聖巴巴拉的卡弗裡理論物理研究所和義大利的Moriond會議會面，討論暗物質搜尋的狀態。很明顯，許多人正在尋找新的途徑來解開這個謎團。

俄亥俄州立大學歐洲核子研究中心ATLAS實驗的博士後研究員詹姆斯·比查姆告訴我們：“我們一直希望會在標準搜尋中找到一些訊號。”“既然我們總是空手而歸，這就迫使人們以截然不同的方式思考。”

例如，也許還有另一個粒子，一個強相互作用的大品質粒子，或者說SIMP，如果探測器不在地下那麼深的地方，就可以找到它。其他人已經聚焦另一個亞原子粒子：軸子（axion），認為它將同時解釋缺失的暗物質，並解決粒子物理學中關於將原子核結合在一起的力的單獨問題。其他人認為，也許尚未被發現。

大爆炸遺留下來的原始黑洞

從事氙氣合作研究的蘇黎世大學物理學家勞拉·鮑迪斯（Laura Baudis）在接受我們採訪時說：“WIMP仍有很多引數空間，但同時我們也必須探索其他可能性。”

加州大學歐文分校（University of California Irvine）物理學和天文學教授喬納森•馮（Jonathan Feng）表示，由於持續缺乏探測能力，越來越多的年輕物理學家開始尋求更奇特的解決方案。

但也有人懷疑我們是否剛剛從根本上搞錯了物理定律。如果暗物質只是我們這一代的發光乙醚呢？科學家曾經認為，光要以波的形式傳播，必須通過某種介質“以太”。阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫利的實驗證明“以太”是不存在的，而阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論則證明證明了這一點。也許我們所謂的“暗物質”可以用一種新的理論來解釋，這種理論不需要找到某種奇怪的品質。

其中一類理論是修正的牛頓動力學，或稱MOND。凱斯西儲大學天文學家斯泰西·麥高（Stacy McGaugh）解釋說，也許

艾薩克·牛頓的引力定律需要一個調整來解釋極端巨大的、緩慢的東西，比如星系的非常緩慢的加速邊緣。麥高曾對我們說，暗物質是“我們早期用來解決問題的‘牙仙子’ ”。每當宇宙的某一部分似乎不遵守物理定律時，科學家就會用暗物質來解釋這些差異，以填補空白。也許宇宙的那些部分根本不需要暗物質來遵守物理定律，因為它們根本不遵守我們最初理解的定律。

麥高認為，也許暗物質代表了控制引力最著名的定律：廣義相對論的不完整性。“現在普遍的態度是，廣義相對論是上帝賦予我們的，不能被質疑，因此暗物質必須存在。”他說。“我擔心我們太崇拜愛因斯坦了。”

或者我們誤解了引力的起源。阿姆斯特丹大學的理論物理學家埃裡克·維爾林德說，也許引力實際上是從量子力學的數學、最小事物的物理學中產生的，就像溫度從粒子運動中產生一樣。我們現在認為引力是品質與空間本身相互作用的結果，但也許引力是粒子集體行為的結果。那麼，暗物質可能是集體行為的結果，而不是現有的廣義相對論。

“人們說（暗物質）必須是一個粒子。對我來說，這些爭論沒有意義。我們還沒有考慮過其他的可能性。” 弗林德告訴我們，“從某種意義上說，暗物質是我們還不了解的東西的佔位符。”

這兩種觀點都無法解釋暗物質（宇宙的大尺度結構）最重要的證據。

搜尋仍在繼續

暗物質可能不是WIMP的原因有很多。我們可能誤解了物理定律；這些定律可能不適用於暗物質；或者這些定律可能是錯誤的或不完整的。但是科學家已經投入了大量的時間和金錢來尋找弱暗物質。

即使在最近的研究結果中，科學家們什麼也沒有發現，仍然有很多不同的WIMP可能性。但當前和未來的實驗都受到中微子層面的限制，在這個層上，實驗變得如此敏感，以至於暗物質粒子與物理學家已經觀察到的另一種弱相互作用粒子（稱為中微子）無法區分。

但在實驗到達中微子層之前，仍有更多種類的WIMP沒有被排除，搜尋必須繼續。

宇宙網，我們宇宙最大的模型，形成了一個引力結構，由暗物質凝聚在一起。

美國自然科學基金會（U.S.Natural Science Foundation）計劃資助一系列實驗，這些實驗將一直追蹤到中微子層的粒子。它已經決定資助WIMP“狩獵”實驗超級CDM，並正在資助正在建設的LZ，該LZ將包含10噸液態氙。氙1t將升級為氙nT。也許有一天，一個叫做達爾文的實驗會完成這項工作。

不用擔心浪費：所有這些實驗都可以測量暗物質以外的東西，如果一個WIMP沒有被發現。它們可以成為超新星觀測站或進行其他粒子物理測量。

中國的暗物質粒子探測衛星

即使在沒有被探測到的情況下，來自太空的誘人暗示仍在繼續刺激科學家們對暗物質粒子的胃口。中國的暗物質粒子探測衛星和國際空間站上的阿爾法磁譜儀，似乎探測到了可能由暗物質粒子引起的訊號。最近在澳洲的一個無線電接收器上進行的一項實驗，檢測到來自第一批恆星的訊號，這些恆星似乎被早期宇宙中的一些暗物質粒子所改變。

然而，WIMP正在失去作為統治理論的力量。物理學家沒有探測的時間越長，解釋暗物質的新想法就會越來越多。

我們能找到WIMP嗎？誰也不知道是否能真正找到它，但科學家將繼續從事科學研究。不管我們怎麼想，大自然根本不在乎。不管怎樣，我們也必須繼續尋找搜尋下去。