[비즈한국] 暗物質。對於天文學家來說，它既是一個迷人的概念，又是一個令人頭疼的存在。儘管我們需要暗物質來解釋觀測到的宇宙面貌，但至今仍未捕捉到其本質的確鑿證據。
談及暗物質這一尚未解決的難題時，人們偶爾會開玩笑說，這不再是天文學家的錯，而是物理學家的責任。在過去的幾十年裡，天文學家透過觀測恆星和星系的運動，推斷出了暗物質的存在，甚至對其特性進行了初步篩選。然而，天文學家本質上只是觀察天空的人。
現在，捕捉那個“幽靈”、扮演“捉鬼敢死隊”角色的重任，必須交給物理學家。而最近，物理學家終於宣佈捕捉到了一些可疑的跡象。有人主張，經過漫長的等待，或許終於捕捉到了暗物質粒子。這場曠日持久的狩獵真的迎來了成果嗎？
首先有必要整理一下暗物質的候選者。由於對其本質一無所知，想象中的候選者著實不少。
首先是WIMP（弱相互作用有質量粒子）。WIMP並不指代某一種特定粒子。它是一類基於弱力規模相互作用、極少發生反應的假想粒子候選者。WIMP相對較重，能與普通物質發生微弱的反應。代表性例子包括超對稱理論中提到的中性微子（Neutralino）和希格斯微子（Higgsino）等假想粒子。中性微子是由標準模型中中性玻色子的對稱粒子糾纏而成；而希格斯微子則是希格斯玻色子的超對稱配對，具有自旋為1/2的費米子特性。此次成為焦點的LZ（LUX-ZEPLIN，勒克斯-澤普林）實驗所追尋的“幽靈”候選者，正是這類重型WIMP。
此外還有比它輕得多的軸子（Axion）候選者。軸子是為了確保強相互作用中對稱性不被破壞而提出的概念。被稱為“第四種中微子”的惰性中微子也常被提及。與現有的其他中微子不同，這種假想中微子連弱相互作用都不參與，只受引力影響。
像WIMP這樣沉重的暗物質粒子可以直接撞擊原子核。相反，像軸子這樣輕盈的暗物質粒子，在原子核上留下的痕跡可能不如在電子上留下的明顯。如果暗物質是中微子，則可以透過實驗裝置內發生貝塔衰變時電子能量分佈與預期值的微小差異，來間接確認暗物質的存在。像這樣，根據暗物質的種類，探測方法也會有所不同。
遺憾的是，我們連暗物質究竟屬於哪種粒子都還不知道。因此，只能敞開所有可能性，同時利用我們已知的所有方法進行實驗，一邊等待。只有在某處捕捉到確鑿的訊號，才能知道暗物質到底是哪種粒子。這不像是等待已知身份的罪犯落網的埋伏行動，更像是希望連身份都不清楚的嫌疑人偶爾撞入偵查網。即使捕捉到可疑跡象，確認它是否真的是我們苦苦等待的“犯人”，過程也必然是審慎且困難的。
LZ實驗的目標正是這些候選者中能直接撞擊原子核的重型WIMP類暗物質。桑福德地下研究設施設在美國南達科他州地下1.5公里處。將暗物質獵場設定在地下深處的原因是來自四面八方的宇宙射線。地表時刻遭受著由宇宙射線產生的繆子等粒子的洗禮。這些粒子在與周圍物質反應時會產生中子。中子既是電中性的，又能撞擊原子核，它們是既不是暗物質卻又偽裝成暗物質的“頑固分子”。厚厚的岩層能極大減少這類粒子的影響。而我們尋找的WIMP，由於已知其幾乎不與普通物質反應，因此大多能穿透岩層。
LZ實驗裝置的核心裝有7噸液態氙。這正是《極速救援》（Project Hail Mary）中外星種族洛基能夠自由操控的成分。當然，與洛基一族不同，我們無法將氙當作固體來處理。在這些液態氙中，實際用於暗物質探測的只有內腔中的約4.7噸，因為外圍物質受到汙染的可能性較高。
選擇氙的原因首先是其原子核較重。氙的原子序數為54，重量可觀，液態氙的密度比水重約3倍。因此，那些討厭的暗物質粒子與氙原子核碰撞並留下痕跡的可能性會更高。不僅如此，外壁的氙還能遮蔽外部輻射，保護內部空間。氙在化學上性質穩定，有利於精確去除雜質。
最重要的優勢在於，當WIMP與氙碰撞時，會同時留下兩種光訊號。首先，WIMP在與液態氙原子核碰撞的瞬間，會在幾十納秒內產生第一道閃光。此時會向四周釋放波長為178nm的紫外線，這被稱為S1訊號。
在此過程中，氙原子核會釋放出電子。被釋放的電子沿著電場向上移動，穿過液態氙上方的氣態層，連續與氣態氙原子發生猛烈碰撞。碰撞導致氙原子再次受激，從而釋放出第二道光，這被稱為S2訊號。
S1訊號先溢位，緊隨其後是S2訊號。透過兩個訊號之間的時間差，可以推斷第一個訊號在多深處產生。此外，透過上方光感測器探測到的光擴散形狀，也能推知訊號產生的水平位置。透過這一瞬間發生的連續訊號，可以立體地復原訊號在探測器內部的精確位置和時間。
WIMP直接撞擊原子核產生的“核反衝”，與釋放出的自由電子引起的“電子反衝”，其訊號形態迥異。透過比較各訊號中探測到的光與電荷的比例，可以推測碰撞粒子的身份。就這樣，物理學家們佈下了一張極其嚴密的、針對WIMP型暗物質的網。現在，一切都要交給宇宙的偶然。我們期待的偶然主要有兩種：第一，暗物質的真面目確實是WIMP，而不是其他種類；第二，那樣的WIMP恰好穿過了這個探測器。
從2023年3月到2024年4月，這場持久的狩獵持續了整整220天。狩獵開始後不久的2023年6月16日，捕捉到了一個可疑訊號。檢測到了看起來像是S1和S2的連續訊號。但研究人員並沒有立即大驚小怪，而是進入了更加激烈且令人窒息的內部驗證階段。他們帶著不安，擔心這是否是穿透岩層而來的其他中微子或宇宙射線的惡作劇，並進行了類似於“盲測”的驗證。
即使最初捕捉到了訊號，研究人員也無法得知訊號是在哪個區域拍攝到的，因為資料經過了加密。這是為了防止在中間過程看到可疑資料而產生偏見或誤解。只有在所有最終資料收集完畢後，才會開啟資料檢視。只有這樣，才能與觀測期間積累的全部資料進行比對，客觀判斷訊號在統計學上是否有意義。
因此，研究人員也是在後來才確認了2023年6月捕捉到訊號的事實。當時瞬間掠過探測器的可疑訊號，直到3年多後才被外界所知。可以說，這是經過了極其徹底且嚴謹的審查。
最終分析中使用的訊號共有1710起。絕大多數都符合預期的背景噪音趨勢。但6月16日捕捉到的兩個訊號偏離了背景噪音的趨勢。訊號捕捉位置距離探測器壁足夠遠，被外界宇宙射線汙染的可能性極低。
研究團隊推測，此次引發訊號的核反衝能量規模至少應超過250keV。這是一個巨大的能量。一般的普通粒子很難以這種水平的能量干擾原子核。僅憑這一門檻值，就能自動排除干擾原子核的許多其他因素。研究團隊推測該訊號的真面目是希格斯玻色子的超對稱配對——希格斯微子。他們欣喜若狂，確認訊號後立即開始撰寫論文，僅用一天就完成了初稿。
如果真的是暗物質粒子，那麼可以認為是一個非常強大的粒子偶然掃過了探測器。雖然數值因模型而異，但該訊號的顯著性遺憾地只有2.6σ（西格瑪），未達到3σ。如果以同樣的方式持續探測，這種水平的異常訊號再次出現的機率還有0.5%。但這並不意味著暗物質的機率是99.5%。
雖然結果不夠讓人徹底痛快，但考慮到暗物質本身就是個“短尾巴”（難以捉摸）的存在，這已經是一件相當有趣的事件。如果未來能長時間持續等待類似的訊號，積累足夠的統計資料，那時我們才能接近一個更明確的結論。
當然，現在談及“大發現”還為時過早。過去曾有多次認為發現了暗物質嫌疑訊號，卻因後續獨立驗證失敗而以遺憾的鬧劇告終的先例。代表性例子是位於義大利格蘭薩索（Gran Sasso）的DAMA實驗，曾宣佈捕捉到隨季節變化的暗物質訊號，但韓國的獨立檢測實驗並未證實類似的訊號。至今，不僅是義大利和韓國，全球各地的探測器都在進行著無期的暗物質守望。
看著人類與身份不明的暗物質之間這場持久的捉迷藏，很多人認為暗物質最終也會像以太（Ether）一樣被歷史淘汰。雖有可能，但要簡單地將其與以太的情況畫等號也很困難。透過無論方向和時間如何，光速測量始終恆定這一無法反駁的實驗，佔據人類宇宙數千年的以太幽靈徹底消失了。
暗物質的情況更為微妙，甚至可以說更令人頭疼。試圖證明暗物質的實驗很多，但目前尚無確鑿證據。同樣，也沒有確鑿的實驗方案能明確證明暗物質不存在。要明確證明“暗物質不存在”本身也是一件極其困難的事情。
有人可能會抱怨，當初暗物質的定義本身就被巧妙地設定為“不相互作用的粒子”，所以即使探測不到訊號，也可以藉口“暗物質本來就是這樣”。不可否認，確實存在這種側面。但我們也不能忽視宇宙中長期觀測到的一致現象，即宇宙看起來比表現出來的更重、引力更強的問題。科學中一個神聖而又頑固的原則就是：“缺乏證據並不等同於證據的缺失”。
最終，圍繞暗物質的爭論只有兩個結局：要麼明確捕捉到暗物質訊號揭開真相，要麼對著杳無音訊的探測器，無期地等待暗物質的蹤跡。衷心希望2023年捕捉到的那兩次短暫訊號，能成為宣告這場漫長戰鬥終結的第一聲發令槍。
作者 池雄培（Ji Woong-bae）是？熱愛貓咪與宇宙。童年時期看到《銀河鐵道999》後，立下了傳播宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，參與講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用》、《我們都天生是天文學家》、《看到宇宙就會浮現的奇怪問題》等書籍，譯有《我為何終結了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等。