暗物质由什么构成？以下是主要候选者

在科学史上，这将是一场史诗般的竞赛：寻找暗物质的竞赛。这种难以捉摸的物质自20世纪30年代以来一直困扰着我们，当时天文学家首次意识到星系需要某种看不见的引力“胶水”才能结合在一起。没有人知道它是什么，所以“暗物质”这个名字就沿用了下来。令人难以置信的是，宇宙中的暗物质似乎是“普通”物质的五倍多。这意味着它应该就隐藏在我们的眼皮底下，当我们的太阳系穿过我们的星系时（像大多数大质量星系一样），它会渗透并穿透地球，而我们的星系正充满着这种物质。

然而，尽管这种物质似乎无处不在，科学家们对宇宙中这种主导物质的了解却少得惊人。暗物质可能由一种粒子或多种粒子组成。这些粒子可能质量巨大，也可能轻如薄雾。我们认为它只通过引力与其他物质（以及自身）相互作用，但暗物质也可能与任何已知的或未知的自然力发生相互作用。

为了解决所有这些可能性，物理学家们提出了相当多的暗物质候选者。就像赛马一样，这些被提议的粒子类型正在争夺这场可以称之为“暗物质德比”的胜利，它们通过理论、实验和观测进行竞争。

当前的赛道从宇宙最大的尺度延伸到最小的尺度，从星系到亚原子粒子。为了率先冲过终点线，研究人员经常需要“冷静”下来：许多实验涉及将液态氙等材料冷却到零度以下，这使得材料的原子更容易与流浪的暗物质粒子碰撞，从而暴露这种难以捉摸的星系“胶水”的存在。

最被看好的候选者，被称为WIMP（弱相互作用大质量粒子），尽管经过了 intensive 的搜索，却一直未能出现。与此同时，一个曾被高度吹捧的竞争者，被称为大质量致密晕天体（MACHO）——与WIMP相对，起了一个俏皮的名字——已经退出了竞争，其存在已被推翻。而一些新的“黑马”则有望让暗物质的“纯种马”们望尘莫及。

赌注再高也不为过：如果任何一个候选者进入了获胜者的行列，它将彻底改写宇宙在最基本层面的运作方式。在这场竞赛的关键阶段，以下是暗物质德比的参赛者名单，从领跑者到（咳咳）黑马。

粒子质量以千兆电子伏特（GeV）为单位测量。一个普通的质子重量略低于1 GeV，电子为0.0005 GeV，而已知最重的粒子——被称为顶夸克——则达到172.9 GeV。

粒子：弱相互作用大质量粒子 (WIMP)

提出年份：1985 质量：1到1000 GeV

在暗物质方面，物理学家投入了最大的研究资金用于WIMP。这些实体在20世纪80年代中期崭露头角，将物理学最大的宇宙尺度与最小的粒子物理学标准模型联系起来。

经过几十年的发展，标准模型取得了惊人的科学成功。它以精确无误的方式描述了自然界的四种力中的三种——电磁力、强核力和弱核力。但该模型也存在巨大缺陷，包括无法描述第四种力——引力，并且根本无法解释暗物质。

标准模型的一个改进版，称为超对称，弥补了它的许多缺陷。它通过为所有已知粒子提出新的、更重的伙伴粒子来填补空白。将这些新的重粒子纳入其中，瞧，它们的总质量与暗物质的估计值惊人地匹配。宇宙学家们在不知道WIMP可能是什么的情况下，就已经在讨论WIMP的想法了，突然间它们有了一个匹配。假设超对称的更重伙伴是WIMP，完美地解决了所有问题，研究人员称之为“WIMP奇迹”。方便的是，这些WIMP会与普通物质相互作用，尽管正如其名称所暗示的那样，相互作用非常微弱；这种相互作用应该使它们极易被发现。

重点是“应该”。尽管在2016年和2017年进行了多次高预算实验，WIMP仍然令人失望。2018年5月，意大利的XENON1T仪器——迄今为止最大的WIMP搜索——也报告未发现任何东西。在所有三次实验中，装有液态氙的巨型容器充当了暗物质拖网，理论上，它们应该偶尔会搅动我们假定一直身处其中的一些暗物质，从而产生指示性的光信号。

WIMP也未能出现在其他探测方法中。理论表明，这些粒子可能会偶尔互相摧毁或衰变，从而产生伽马射线暴，但搜索未能发现令人信服的证据。许多物理学家曾期望大型强子对撞机——有史以来最强大的粒子加速器——会产生重型的新型粒子，包括WIMP。但十年运行未能发现重型伴侣，反而让一些物理学家质疑超对称的整个概念。

尽管暗物质德比中曾备受青睐的这匹赛马的胜算越来越小，但WIMP仍然领先。更强大的WIMP猎手正在研发中，包括超级低温暗物质搜索（SuperCDMS）。

“WIMP仍然是一个绝佳的候选者，”达拉斯南卫理公会大学的物理学家朱迪·库利说，她参与了SuperCDMS项目。“有些人已经准备好抛弃WIMP了，但我认为现在还不应该这样做。”

粒子：轴子

提出年份：1977 质量：约 0.000000000000001 GeV

在经历了一个不起眼的开端之后，轴子现在在竞赛中势头强劲。物理学家最初提出这种粒子是为了帮助解决强核力（自然界四种基本力之一）的一个问题。问题在于，感受强核力的粒子非常挑剔；当它们的电荷反转或被翻转时，它们的行为并不会改变。标准模型对此完全接受，但这困扰着研究人员，于是他们提出了一种解释这种不寻常刚性的方法。作为副作用，这种解释还表明宇宙可能充满了新的假想粒子，称为轴子。

碰巧的是，轴子也符合暗物质的要求。尽管单个粒子的质量低得离谱，但形成宇宙的大爆炸可能会以惊人的丰度产生轴子——事实上，足以构成宇宙中所有的暗物质。“早期宇宙的大量能量倾泻到这些粒子中，”华盛顿大学物理学家格雷·雷布卡说。“而且由于它们与其他物质的相互作用不多，所以宇宙中会剩下所有这些残留物质。” 瞧：暗物质！

雷布卡也是华盛顿大学轴子暗物质实验（ADMX）的共同发言人。由于2018年宣布的一次升级，ADMX成为第一个具有捕捉这些极度疏远轴子所需灵敏度的设备。它看起来并不起眼，只是一个13英尺长的金属圆柱体，沉入地下，冷却到略高于绝对零度，以消除任何可能掩盖信号的扰动。

本质上，内部的磁铁会产生强大的磁场，根据理论，这应该会将附近的所有轴子转化为标准的无线电波。为了探测这些微小的信号——每个大约是十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一瓦——ADMX配备了专门设计的放大器。它是迄今为止建造的最灵敏的无线电接收器。

研究人员目前正在通过数百万个代表可能轴子质量的频率“调谐”ADMX，这有点像旅行者在偏远地区开车，试图找到合适的广播电台来收听一小段歌曲。“我们只是不停地转动旋钮，”雷布卡说。“这令人兴奋，因为轴子随时都可能被发现。” 这项搜索计划至少还要持续几年。

至于这种暗物质黑马的名字，要归功于麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克。他在20世纪70年代无意中在商店货架上看到“轴子（Axion）”牌洗涤剂——至今仍在生产——后，就创造了这个词。ADMX团队已经在线订购了一批这种洗涤剂，把它当成一种护身符。“我们用它洗手以求好运，”雷布卡说。

粒子：惰性中微子

提出年份：20世纪70年代末 质量：约 1 GeV

曾经被抛诸脑后，作为暗物质候选者的惰性中微子，现在又重新回到了竞赛中。它是一种假想的新型中微子。这些无处不在的粒子目前有三种“味”，它们几乎不与物质相互作用，每秒有数千亿个粒子穿过我们的身体（以及其他一切）。但是，虽然日常中微子偶尔会通过弱核力与物质接触，但惰性中微子会更加“不介入”；它就像一个洁癖者，从不屑于与引力之外的任何相互作用弄脏自己。

惰性中微子的想法在20世纪90年代的一项实验中得到了关注，该实验记录了一种名为电子中微子的“味”比其他两种（现在已知是μ子中微子和τ子中微子，供那些关注的人参考）异常增多。这些粒子应该以大致相等的数量出现。然而，大约在同一时间，实验揭示中微子在宇宙中穿梭时会自发地从一种“味”转变为另一种“味”。理论家们推测，“味”的偏差是由于一些中微子暂时转变为第四种“惰性”中微子，然后才“返回”为普通电子中微子。当其他观测结果最终与这个想法相矛盾时，物理学家们断然将那个孤立的结果视为实验性侥幸。

然而，惰性中微子的支持者或许会笑到最后。2018年6月，第二项名为MiniBooNE的实验，基于长达15年的数据，发现了相同的“味”超额。位于芝加哥郊外费米国家加速器实验室的MiniBooNE一点也不“迷你”。它是一个镶嵌着传感器的球体，直径近40英尺，里面装满了800多吨纯矿物油。当附近光束中产生的中微子偶尔撞击油的构成原子时，仪器会记录下发出的闪光。虽然现在就将观测到的“味”异常归因于惰性中微子还为时过早，但它们确实很符合。洛斯阿拉莫斯国家实验室物理学家、MiniBooNE联席发言人理查德·范德沃特说：“显然有些事情正在发生，这令人着迷。”

假设惰性中微子被证实是真实的，它们在质量和数量上可能仍然不足以构成大部分暗物质。但是，就像普通中微子有三种“味”一样，多种具有不同质量的惰性中微子也可能存在。更进一步，中微子可能不是唯一一种有惰性对应物的粒子。事实上，研究人员寄予厚望，认为发现惰性中微子将打开通往超越标准模型的新物理领域的大门，这个领域被戏剧性地称为“暗区”。

这个影子领域可能是一个完整的“非标准模型”，充满了在我们周围相互看不见地作用的各种粒子。暗光子、暗胶子、暗夸克等等都可能存在。所有这些都可能是宇宙中那些我们以标准模型为中心的存在所感知到的额外物质的储存库。“暗区和标准模型之间一定存在某种联系，”范德沃特说，“而惰性中微子可能就是这种联系。”

多个新的团队希望通过新项目进一步揭示中微子的奇异之处。就范德沃特和同事而言，他们已经在洛斯阿拉莫斯开始了一项新的实验，名为Coherent CAPTAIN-Mills。它使用冷却的氩气罐来捕捉中微子“味”之间任何指示性的振荡。范德沃特表示，该实验有望在下个十年早期提供惰性中微子的“确凿证据”，可能会彻底打开暗物质搜索的大门。“如果我是个赌徒，”他说，“我会说胜算很大。”

粒子：强相互作用大质量粒子 (SIMP)

提出年份：2014 质量：约 0.1 GeV

物理学家们是不是在错误的暗物质赛马上押注呢？加州大学伯克利分校的理论物理学家村山齐（Hitoshi Murayama）认为确实如此。“关于暗物质的传统思维确实有问题，”他说。村山齐与耶路撒冷希伯来大学的约尼特·霍克伯格（Yonit Hochberg）最近帮助开发了SIMP（强相互作用大质量粒子），这是一种全新类型的暗物质粒子。

主要的候选者——WIMP、轴子和惰性中微子——都被假设为不可分割的基本粒子。而SIMP，则是由其他更小的粒子组成的复合粒子。“SIMP实际上与我们已经见过的粒子非常相似，”村山说。“它们更像是‘家常便饭’。”最常见的复合粒子例子是什么？质子和中子，它们构成了我们周围的普通物质。

构成质子、中子和SIMP的更小的粒子称为夸克，但在SIMP的情况下，它们将分别由一个夸克和一个假想的反夸克配对组成，反夸克主要在标准模型之外的暗区活动。尽管如此，复合粒子的物理学已经得到了很好的理解，这种熟悉程度可能会使SIMP比更奇异的不可分割的暗物质候选者更容易探测和理解。

SIMP天生好交际，会与其他SIMP强烈相互作用。这与WIMP形成对比，WIMP只与彼此和普通物质微弱相互作用。因此，SIMP不会像WIMP那样微弱地流过其同伴粒子，而是会像台球一样相互碰撞和弹开。

暗物质以这种喧嚣的方式行为将有助于解释两项与WIMP相悖的关键天文观测。第一个涉及一些碰撞星系：在一个例子中，天文学家推断，大量暗物质在距离约14亿光年的一次天体碰撞中脱离了宿主星系。这表明暗物质会相互推挤，不能像WIMP那样轻易地与可见的恒星和气体一起流动。然而，第二项使用更精确测量的分析现在表明，也许暗物质根本没有与星系分离——在暗物质领域，从来没有什么事情是简单的。

第二个令人困惑的观测涉及到小星系内部暗物质的怪异分布。计算机模拟显示，由于引力作用，WIMP应该聚集在一起，在星系中心形成致密的暗物质团块；它们也应该在太空中聚集成块。然而，观测结果与这些预测相冲突。在星系尺度上，暗物质似乎分布得过于均匀，天文学家从未发现WIMP模型预测的团块。这些发现更好地支持了一种不友好（即相互作用）的暗物质：SIMP模型。

还有一点指向SIMP。它们应该足够多，足以解释宇宙中所有的暗物质，不像其他粒子需要更复杂的理论。“SIMP可以百分之百地构成暗物质，没有任何问题，”村山说。

至于有朝一日捕获SIMP，希望寄托在日本SuperKEKB等粒子加速器上，该加速器于2018年4月在日本启动。这类机器将轻量级电子及其反物质对应物对撞，从碎片中可能会偶尔抛出SIMP。“那将非常酷，”村山说。这是一个公平地描述解决物理学最大谜团之一的方式。

落败者与黑马

大质量致密晕天体（MACHO）

在20世纪80年代末，科学家们曾寄予厚望，认为MACHO——那些暗淡且难以探测的普通物质团块——可以回答暗物质问题。这些物体可能从行星到失败的恒星再到黑洞。不幸的是，有充分证据支持的大爆炸模型难以产生足够多的普通物质，以至于MACHO无法填补宇宙账簿。更具毁灭性的是，观测一直排除了任何大量隐藏黑洞的存在，因为它们的引力弯曲背景星光时会暴露自己。2018年10月的一项研究彻底否定了MACHO的存在，对早期宇宙中诞生的假想怪物——原初黑洞——作为大量未被解释物质的最后可能储藏库的可能性施加了严重的限制。无论大部分暗物质是什么，MACHO都不是。

WIMP、SIMP……还有GIMP？

唯一明确被物质和暗物质共同感受到的力是引力。因此，一些研究人员创建了只涉及引力的暗物质模型，称为GIMP：引力相互作用大质量粒子。

其中一个概念对物理学来说并不新鲜——它只是提出黑洞实际上将所有缺失的暗物质束缚在其中，并且本质上就像巨大的粒子一样。

另一种观点是，物理学家们设想GIMP是一种基本粒子，是我们的宇宙理论所必需的，其中包括一个额外的第五空间维度。然而，据我们所知，仍然只有三个空间维度，再加上时间。

然而，这群“黑马”中最狂野的，也许是普朗克相互作用暗物质（PIDM）。它由单个粒子组成，每个粒子可能重达10万亿个质子。在早期宇宙中产生的PIDM应该在大爆炸的遗迹余晖中留下不可磨灭的印记，这被称为宇宙微波背景，研究人员通过它寻找宇宙起源的线索。下一代仪器可能足够灵敏，足以回答这匹暗物质“黑马”是最终获胜，还是需要被“淘汰”出局。

亚当·哈德哈齐（Adam Hadhazy）是新泽西州的一名自由科学作家。这个故事最初以“暗物质德比”为题发表在印刷版上。