黑暗中的光亮

（文 / 苗千）

( 诺贝尔物理学奖得主丁肇中在美国佛罗里达州NASA肯尼迪航天中心，在他身后是“奋进号”航天飞机 )

很少有其他难题如同“暗物质”之谜一样，深深地困扰宇宙学家和粒子物理学家们长达80年的时间，却几乎没有任何进展。以量子力学和广义相对论为根基的现代物理学使人类对于整个宇宙及自身的理解都达到了前所未有的高度，粒子“标准模型”也几乎涵盖了目前人类所发现的所有基本粒子，但是另外一个事实却足以令物理学家们感到沮丧：目前人类认识到的所有“普通物质”只占到整个宇宙的4%，而对于宇宙中其他更为重要的组成部分，我们对其却几乎仍然是一无所知。

1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在进行天文学观测时，通过星系旋转的速度首先推断出暗物质的存在，自此这种神秘的物质就开始深深地困扰着人类。根据目前人类的理解，除了已知的“普通物质”，宇宙中更为重要的组成部分分为“暗物质”和“暗能量”两类，其中暗能量占到宇宙构成的73%，这也正是我们的宇宙正在加速膨胀的原因；而暗物质占到宇宙的23%，对于这种总质量几乎为普通物质6倍的神秘物质，人类在得知它的存在80年之后，对它的了解仍然大多存在于理论假设。粒子物理学家们假设暗物质与普通物质类似，都是以基本粒子的形式构成，由此也就形成了各种假说，并且引发世界上各实验室探测暗物质粒子的热潮。

如同称呼一个对其一无所知的人为“神秘人物”一样，“暗物质”甚至也不能被算作是这种物质真正的名称，而只是代表了它的一个特性——它几乎无法被人类所直接探测到。在人类已知的四种相互作用形式中，暗物质似乎不参与其中的电磁相互作用和强相互作用，它似乎只受到引力制约，并且在极少情况下参与弱相互作用。因为它不吸收或者发射光子，因此人类无法直接观测到暗物质的存在，只能通过天文学的观测，利用引力作用的计算来间接证明暗物质的存在。

随着希格斯玻色子被发现，描述基本粒子的“标准模型”也就基本完成，但是在这个模型中却并没有暗物质粒子的一席之地，暗物质研究也就随之成为粒子物理学研究的焦点。为了探测暗物质粒子，全世界的粒子物理学家可谓上穷碧落下黄泉，在各个深藏地下的实验室中安置暗物质探测器。在目前研究暗物质的各种假说中，粒子物理学家们普遍接受一种名为“大质量弱相互作用粒子”（WIMP）的目前仅存在于假想中的基本粒子，作为暗物质粒子的最主要候选者，这种相对于普通粒子（比如质子）极重又几乎不与其他物质发生相互作用的粒子如果存在，则有可能被直接探测到。

在意大利的格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory），1400米岩石覆盖的地下，在这里工作的粒子物理学家们布置了最新的暗物质探测器DarkSide50。通过实验室上面上千米的岩石层可以保证暗物质探测不受到各种高能宇宙射线轰炸的干扰。DarkSide50探测器主要由一个巨大的容器组成，这个球形容器里面存放着50公斤的液氩，同时外层又被气态氩所包裹。如果暗物质是以大质量弱相互作用粒子的形式存在，那么这种粒子就可能在极其罕见的情况下与氩原子核发生相互作用，因为与大质量弱相互作用粒子发生相互作用而得到能量的氩原子核则可能通过发出一个光子来释放这种多余的能量。因此，在理论上，如果探测到被氩原子核释放的光子，就可以作为探测到暗物质粒子的证据。但是至今为止，观测DarkSide50探测器的科学家们还没有发现这种信号。

地球上还有好几个类似于格兰萨索实验室这样深埋在地下的暗物质探测器，但是直到目前，几乎都没有任何值得信赖的暗物质粒子探测结果出现。同样位于格兰萨索实验室的XENON100暗物质探测器，是通过62公斤的高纯度液氙来探测暗物质粒子可能产生的微弱信号，可是它在一年多的时间里也只发现了两个让观测的物理学家们难以确定身份的信号（这些信号有可能来自暗物质粒子，也有可能来自背景辐射）。位于美国达科他州一个金矿下面的LUX暗物质探测器，同样在等待着暗物质粒子出现的确切信号。中国团队也加入了探索暗物质的行列，在四川锦屏山2500米厚的岩石覆盖下的实验室里，一组粒子物理学家们正在进行着PandaX暗物质探索计划，这个目前人类最深的地下实验室拥有极好的条件进行暗物质探测。但是直到现在，这些暗物质探测器仍然没有得到来自暗物质粒子的确切信号。

关于暗物质粒子探测最激动人心的消息却可能来自碧落之间。如同在2012年欧洲核子中心正式宣布发现了希格斯玻色子之前，在物理学界中就开始沸沸扬扬地传播有关希格斯玻色子的“谣言”一样：尽管目前人们还不了解有关暗物质探测的最新消息，安装在国际空间站（International Space Station）上、目前仍在地球轨道上运行的阿尔法磁谱仪-02可能会在近期带给人们关于暗物质粒子探测的最新结果，这个最新的探测结果可能会带给人们有关暗物质的全新认识。传出这条消息的，正是阿尔法磁谱仪-02项目的主要负责人、麻省理工学院的物理学家、诺贝尔物理奖得主丁肇中。

在2013年2月举行的美国科学促进会（AAAS）年会上，这位诺贝尔物理奖得主宣布，通过阿尔法磁谱仪-02的探测结果，他的团队最近在暗物质研究领域取得了重大进展，但是他又坚持不肯透露更加具体的消息，只是说明在未来的几周内他们会在一个高能物理学杂志上发表一篇重要的论文。

由丁肇中主持设计制造的阿尔法磁谱仪马上就成为人们关注的对象，在各个深埋地底的暗物质探测器都没有收获的时候，这个在太空的探测器有可能给粒子物理学家们带来决定性的成果。在丁肇中的论文还没有发表之前，人们已经开始猜测，阿尔法磁谱仪究竟观测到了什么样的暗物质信号。

除了在天文学观测中存在的星系间的引力现象，暗物质并不容易被直接观测到。阿尔法磁谱仪-02在地球轨道上想要证明到暗物质粒子的存在，其中最重要的一个证据就是正负电子。根据目前粒子物理学家们对于暗物质粒子的一些假设，这种尚未被直接探测到的粒子虽然不容易与普通物质粒子发生相互作用，却可能是其自身的反粒子。根据这种假设，当暗物质粒子相互碰撞时，它们就会发生湮灭，两个暗物质粒子有可能会变成高能量正反电子对。在宇宙中，具有这种特征的高能量正反电子对是有可能被阿尔法磁谱仪-02探测到的。问题在于，在宇宙中还有其他很多种原因可能产生出高能量正反电子对，比如脉冲星的爆发就可能造成类似的现象。要想分辨出探测到的正反电子对是否由湮灭的暗物质粒子产生，最重要的一点就在于探测到的正反电子对不能只来自于一个方向，而是应该均匀出现在宇宙中的各个方向上。

在这个价值20亿美元的阿尔法磁谱仪-02上，装备了一个巨大的磁体，这个磁体将使在空间中接近它的粒子发生偏转，通过这些粒子在经过磁体时偏转的方式，就可以判断出粒子的性质。丁肇中介绍，自从2011年5月被“奋进号”航天飞机送上地球轨道，阿尔法磁谱仪-02已经探测到了250亿个粒子，而其中有77亿个粒子是高能量的电子或正电子。有关暗物质粒子探测的重要成果，很有可能出自对这77亿个正反电子的测量结果。

分析正反电子来分析暗物质粒子是否存在，其中一个非常重要的指标就是正电子与电子数目的比值。芝加哥大学的物理学家麦克·特纳（Michael Tuner）说，显示出暗物质存在最重要的证据就是正电子与电子的比率忽然上升，然后又忽然下降。有人猜测，可能丁肇中正是观测到了这种暗物质粒子存在的切实证据。

丁肇中说，为了写这篇论文，他们已经等待了18年，并且这篇论文已经被反复修改了30遍——如同一部即将上映的大片，等待的观众们不停地猜测电影中的情节，不知这篇即将发表的论文将会怎样改变人类对于暗物质的认识。

“泥上偶然留指爪，鸿飞那复计东西。”在过去的80年中，暗物质正是以这种方式留下点滴线索，让人类去探寻追求，长达80年的探索也许已经被缩短为几周的等待，这可能也正是人类认识宇宙中另外一个隐秘部分的开始。 暗物质存在形式天文光亮粒子物理学黑暗阿尔法暗物质