尽管我们生活在宇宙学的一个复兴时代，理论和观测已发展到可以精确检验思想的阶段，但我们也生活在黑暗时代。宇宙约有 23% 由暗物质组成，这是一种神秘物质，具有引力作用但与光不发生相互作用。普通物质仅占 4%。（另外 73% 是暗能量，一种更神秘的弥漫于宇宙的成分。）
物理学中上次出现“暗”这个词是在 19 世纪中叶，当时法国的乌尔班·让·约瑟夫·勒维耶提出了一颗名为“火山”（Vulcan）的暗行星。勒维耶的目的是解释行星水星奇特的运行轨迹。勒维耶与英国的约翰·C·亚当斯曾根据海王星对天王星的影响推断出其存在。但他在水星问题上错了。结果发现，水星轨道异常的原因比另一颗行星的存在更为戏剧化。只有借助爱因斯坦的相对论才能找到解释。广义相对论首次得到证实，正是因为爱因斯坦证明了它可以用来准确预测水星的轨道。
暗物质的出现也可能预示着类似的范式转变。即便如此，我认为它很可能有一个更常规的解释，与我们目前已知的物理定律一致。毕竟，即使新物质遵循与我们已知的相似的力定律，为什么所有物质都必须表现得和熟悉的物质完全一样呢？更简洁地说，为什么所有物质都要与光相互作用？如果科学史教会了我们什么，那就是相信我们所看到的并非全部是短视的。
许多人觉得暗物质的存在非常奇怪，并想知道为什么大多数物质——是我们所见物质的大约六倍——却是我们无法用传统望远镜探测到的东西。事实上，我们知道具有暗物质特性的东西必然存在。我们通过其在宇宙中引力作用的大量观测证据来知道它的存在。
暗物质存在的第一个线索来自星系团中恒星的旋转速度。来自 Vera Rubin 的更有力的证据，一位观测天文学家，她在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初对星系中恒星的旋转进行了详细的定量测量。星系的属性，例如其恒星的轨道速率，取决于它包含多少物质。仅有可见物质存在，人们会期望远离星系的恒星对其引力影响不大。然而，Rubin 发现，远离发光中心物质的恒星以与距离星系中心十分之一距离的恒星相同的速度旋转。这表明，质量密度并没有随着距离而减小，至少在她观测的距离内是这样。天文学家得出结论，星系主要由看不见的暗物质组成。引力透镜研究也提供了补充证据。
我们现在知道暗物质的密度，它很“冷”（也就是说，它相对于光速移动缓慢），并且它相互作用极弱，肯定不会与光发生显著的相互作用。但仅此而已。暗物质可能是小型黑洞或其他维度的物体。不过，最有可能的是，它只是一种新的基本粒子，不具备与标准模型相关的常规相互作用，标准模型是迄今为止解释普通物质基本粒子所遵循的已知力的主流物理理论。
暗物质工厂
粒子物理学和宇宙学之间存在许多联系，其中最有趣的一点是，暗物质实际上可能是在世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）——所探索的能量下产生的。LHC 包含一个巨大的、长达 16.5 英里的圆形隧道，穿过法国和瑞士边境，位于地下深处。这条隧道内的电场加速两束质子束——每束包含数十亿个质子，质子属于一类称为强子的粒子，因此得名对撞机——它们在赛道上每秒绕行约 11,000 次。
当 LHC 的总工程师 Lyn Evans 于 2010 年 1 月在加州 LHC/暗物质会议上发言时，他以一个笑话结束。“你们理论家一直在（暗星系）黑暗中摸索，”他说。“现在我明白了为什么我花了最后 15 年来建造 LHC。” Evans 的评论指的是过去二十年来高能数据的匮乏。但它们也暗示了 LHC 的发现可能会揭示暗物质的奥秘。
产生暗物质的有趣可能性是宇宙学家对 LHC 可能发现的内容感到好奇的原因之一。LHC 拥有适合搜索一种称为 WIMP（弱相互作用大质量粒子）的假想暗粒子的能量。即使如此，暗物质粒子也未必一定在那里被发现。毕竟，暗物质相互作用不大，所以暗物质粒子肯定不会在探测器中直接产生，即使间接产生，它们也会直接飞过。尽管如此，LHC 可能会产生其他相互作用更强的粒子，这些粒子随后会衰变成暗物质，暗物质可能会带走动量和能量，从而提供暗粒子存在的证据。找到暗物质存在的证据无疑是一项重大成就。然而，要确定在 LHC 上间接探测到的粒子确实构成了暗物质，还需要进一步的证实。这正是地面和太空中的探测器可能提供的信息。
NULL | 插图：Chris Gall
暗物质探测器
目前的搜寻依赖于一种信念的飞跃：尽管暗物质几乎是隐形的，但它仍然与我们已知的物质（我们能够制造探测器的物质）发生微弱的相互作用。暗物质粒子穿过探测器的唯一痕迹是它撞击探测器中的原子核并以微小量改变其能量所产生的后果。暗物质探测器搜寻的是暗物质粒子穿过时产生的微量热量或反冲能量。这些探测器被设计成要么非常冷，要么非常灵敏，以便记录暗物质粒子微妙弹开时产生的微小热量或能量沉积。
这种极冷的装置称为低温探测器，由锗等晶体吸收器制成。这类实验包括低温暗物质搜寻（CDMS）、CRESST 和 EDELWEISS。另一类实验涉及由液化稀有气体制成的探测器。尽管暗物质不直接与光相互作用，但当暗物质粒子撞击氙或氩原子时增加的能量会导致一次特征性闪烁。包含氙的实验有 XENON100 和 LUX，而其他提出的稀有气体实验包括 ZEPLIN 和 ArDM。
在这些极其困难的暗物质实验中，细节至关重要。CDMS 拥有冰球大小的锗或硅片，顶部装有一个精密的记录装置——声子传感器。探测器在极低的温度下运行——低到刚好处于超导和非超导的边界。即使有少量来自声子（携带能量通过锗或硅的能量单位，就像光子是光单位一样）的能量击中探测器，也足以使设备失去超导性，并通过称为超导量子干涉仪（SQUID）的装置记录潜在的暗物质事件。这些装置极其灵敏，并且能非常精确地测量能量沉积。
但记录事件并非故事的结局。实验人员需要确定探测器记录的是暗物质，而不是背景辐射。问题在于一切都会辐射。我们辐射。你正在阅读的杂志（或电子设备）会辐射。即使是一个实验者手指上的汗水也足以淹没任何暗物质信号。这还没有考虑到所有原始和人造放射性物质。环境和空气以及探测器本身都会携带辐射。宇宙射线会击中探测器。岩石中的低能中子可能模仿暗物质。背景电磁事件的数量大约是预测的信号事件数量的 1000 倍。
因此，暗物质实验的关键在于屏蔽和区分。屏蔽部分通过在矿井深处进行实验来实现。XENON100——以及使用钨的探测器 CRESST——设置在意大利 Gran Sasso 实验室，该实验室位于一个约 1400 米深的隧道中。CDMS 实验位于明尼苏达州的 Soudan 矿井，深埋地下 700 多米。这些实验通过各种方式进一步屏蔽实际探测器。CDMS 拥有一层聚乙烯，如果有什么东西（相互作用太强，不可能是暗物质）从外面过来，它就会发光。更令人难忘的是周围的铅，来自 18 世纪沉没的一艘法国盖伦帆船。在水下沉睡了几个世纪的旧铅已经有了足够的时间释放其放射性。它是一种致密的吸收材料，非常适合屏蔽探测器免受入射辐射的干扰。
尽管 CDMS 令人印象深刻，但像XENON100 这样的稀有气体实验目前是灵敏度最高的暗物质探测器。液态氙密度高且均匀，每原子质量大（增加了暗物质相互作用率），闪烁良好，能量沉积时电离相当容易，而且相对便宜。XENON100 使用特殊的感光光电管，这些光电管设计用于探测器低温高压环境下工作，以测量闪烁。随着稀有气体实验规模的增大，它们的性能也大大提高，并且预计还会继续提高。材料越多，不仅探测的可能性越大，而且探测器的外部部分也能更有效地屏蔽内部部分，有助于确保获得显著的结果。
今天一个奇怪的状况是，一个闪烁实验——位于 Gran Sasso 的DAMA——实际上已经看到了信号。DAMA 与迄今描述的实验不同，它没有区分信号和背景的能力。相反，它依赖于通过时间依赖性来识别暗物质信号事件。由于地球绕太阳公转，暗物质相对于我们的速度（从而沉积的能量）取决于一年中的时间，因此在一年中的某些时候（夏季）比其他时候（冬季）更容易看到信号。DAMA 实验寻找与该预测一致的事件率年周期性调制。研究人员的数据表明他们已经发现了这样的信号。但人们持怀疑态度，因为没有其他实验证实这一结果，尽管其他实验已经开始看到信号的迹象。
尽管令人困惑，但正是这种事物使科学变得有趣。这一结果促使我们思考暗物质是否可能具有一些使其更容易被 DAMA 探测到，而其他实验却难以探测到的特性。
暗物质天文台
探测暗物质的第三种方法是通过天空或地面的间接探测。暗物质是稀疏的，但暗粒子有时可能会碰撞并湮灭，在此过程中释放能量和其他粒子。湮灭的发生频率不足以显著影响总体密度，但可能足以产生可测量的信号。根据其性质，暗物质湮灭有时可能产生可探测的粒子和反粒子，例如电子和正电子，或光子对。
搜寻暗物质湮灭产物的仪器最初被设计为望远镜或探测器，用于观察来自星系及其内部奇异天体的粒子和光子。但此类观测也可能揭示暗物质的性质。由于反物质粒子在宇宙中相对稀少，并且光子能量的分布可能表现出独特且可识别的特性，因此此类探测最终可能与暗物质相关。这些粒子的空间分布可能有助于区分暗物质湮灭产物与更常见的宇宙学背景。
