解讀暗物質之謎，這些粒子將幫助我們打開暗物質世界大門！

我們知道它就在外面。它構成了宇宙中的大部分物質，並用一隻隱藏的引力之手塑造了它最宏偉的特徵。然而，儘管對這位神秘的被稱爲暗物質的宇宙建築師進行了長時間的努力來揭示他，但他仍在逃避探測。

無數的暗物質搜尋者花了幾十年的時間試圖捕捉他們的主要暗物質候選者。但他們與暗物質之間的鬥爭導致了新一波的不同方法的嘗試。他們不是爲尋找單個候選者而量身定做，而是接受了暗物質由一系列粒子和力組成的可能性，這是一個與我們自己平行運作的整個暗區。

只有最微弱的交流才能進入這個隱藏的領域：這些粒子能夠將信息從暗處傳送到熟悉的物質世界。現在的計劃是跟蹤這些中間人，因爲他們通過這些黑暗入口傳遞信息，可以竊聽他們以瞭解另一邊的宇宙。加州大學歐文分校的理論家喬納森·馮(Jonathan Feng)說：“這是我們思考問題的方式的轉變，這爲搜索工作注入了新的活力。”

我們所知道的關於暗物質的所有信息都來自星系外部恆星的移動速度比預期的要快，這是因爲存在大量的可見質量。事實上，如此之快的速度，我們所看到的星系早就應該被撕裂了。對於一些物理學家來說，這就有足夠的理由相信愛因斯坦的引力定律是錯誤的。另一些人則堅持認爲，某種無形的物質形式一定潛伏在幕後，將宇宙凝聚在一起。

可憐的WIMP

幾十年來，最主要的懷疑對象一直是弱相互作用的大質量粒子（WIMP）。這一假設的重粒子之所以吸引人，是因爲他的驚人巧合：當物理學家計算到今天有多少重粒子能夠從早期宇宙倖存下來時，他們得到的暗物質的數量正是我們需要解釋我們的觀測結果的數量。對他們有利的另一點是，類似WIMP的粒子自然產生於超對稱性，這是一種數學上優雅的理論，旨在消除標準模型中的一些小問題，這是我們對粒子及其相互作用的最好描述。

總之，WIMP看起來是如此炙手可熱的候選者，這只是一個吸菸的問題。對於實驗主義者而言，理論預測WIMP除了引力之外，還能感受到微弱的核力，這種核力更強，但只在很小的距離上起作用。這使它們能夠在實驗中與常規物質相互作用，並引發了一場世界範圍內尋找它們的競賽。

然而，沒有他們存在的任何跡象，也沒有跡象表明超對稱性預測的任何已知粒子的重粒子夥伴。當然，它們可能還會出現，但我們最有希望的候選者看起來已經不太現實了，因爲它的理論基礎看起來不穩定，這種情況已經把許多年輕的暗物質搜尋者推向了一個有趣的新方向。

喬納森·馮和其他人提出的是，暗物質可能不是由任何一個粒子組成，而是一個完整的組合，所有這些物質都是通過一個在正常宇宙中沒有任何東西能感覺到的暗力相互作用的。這個暗區的成分甚至可能形成它們自己的原子和分子，從而開啓了一個全新的暗化學世界。

這可能看起來很奇怪，但有很好的理由考慮這種可能性。畢竟，我們認爲普通的物質包含一個真正的粒子框架，所以假設暗物質也是如此，不需要很大的邏輯跳躍。更重要的是，近年來奇怪的觀察已經暗示了暗力的存在，這表明暗物質可能比WIMP搜尋者認爲的要複雜得多。

第一個觀察結果是，暗物質在星系中的分佈似乎比WIMP模型預測的更均勻。這可以解釋爲爲暗物質粒子彼此施加排斥力，將自己分開。地球上的粒子實驗也出現了類似的暗示異常，最近一次是在2016年，匈牙利一家核物理實驗室的研究人員發現了一個鈹原子的衰變，這種衰變只能通過援引一種新的自然力來解釋。

聲稱存在一個暗區是很可行的，但是決定如何填充它則完全是另一回事。加州哈維穆德學院(Harvey Mudd College)的布賴恩·舒夫(Brian Shuve)表示：“我們可以猜測可能有無限多的暗區。”幸運的是，我們不需要這樣做。馮，舒夫和其他人已經意識到，搜索可以由數據而不是理論上的猜測來指導。如果暗區能夠與正常宇宙交換信息，那麼這些罕見的接觸點就會變成入口，可以照亮另一邊的世界。

澄清一下，我們不是在討論你可以駕駛宇宙飛船穿越的入口。芝加哥附近的費米國家加速器實驗室（Fermilab）的戈丹·克恩賈克（Gordan Krnjaic）說：“我們稱之爲數學入口。”這些入口使粒子能夠感受到暗力與規則物質的粒子相互作用。最有希望的入口類型將暗區粒子轉變爲標準模型中的一個。幸運的是，暗區的不可見性使我們可以大大縮小這種入口的範圍。暗區的成分必須是無電荷的，由於這些粒子不能轉變成帶電荷的粒子，所以中間的任何粒子都必須是中性粒子。

黑暗使者

最有可能與這種暗介質相互作用的三個標準模型粒子是光子(通過矢量入口)、希格斯玻色子(通過標量入口)和中微子(通過中微子入口)。多倫多大學的理論家大衛·柯廷（David Curtin）說：“如果有新的粒子存在，這些入口就是我們創造和檢測它們的最好機會。”我們現在要做的就是監視他們的一舉一動。

這可能需要一段時間，但監視已經開始了。三者中最有希望的或許是矢量入口，在這個入口中，設計用來產生普通光子的過程有時會吐出一個暗光子。就像普通的光子一樣，這樣的粒子是非常合羣的：它會與任何有電荷的東西相互作用。這些交互作用的強度也相當大，這意味着有很多地方可以去尋找它，如果它在那裡，我們很有機會看到它。

此外，暗光子不一定要完全類似於常規光子。它只是各種矢量玻色子（光子所屬的粒子類別）的代表，它們可能構成暗區的一部分。加州斯坦福大學的娜塔莉亞·託羅(Natalia Toro)表示：“這是衆多可能性中的一個。”

託羅在弗吉尼亞州的傑斐遜國家加速器設施進行實驗，該設施幾年來一直試圖找出暗光子。它們向固定的目標發射一束高強度的電子，以產生光子，希望它們偶爾會產生一種暗光子，通過其明顯的衰變來識別。其他人，包括舒夫，通過重新審視加州SLAC國家加速器實驗室的Babar實驗中的十年數據來尋找暗光子的證據，該實驗將電子和它們的反物質對應物一起碰撞在一起。

儘管到目前爲止，這兩項努力都徒勞無功的，但搜尋工作已經加快了步伐。你的光束越強，你產生的光子就越多，形成暗光子的可能性就越大。這是幾個新的高強度實驗希望利用的可能性。

然而，在瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)上。柯廷和他的團隊不是用光子作爲兩個世界之間的橋樑，而是想用一個不同的入口--監視希格斯粒子。

“LHC可能一直在產生暗希格斯玻色子。”

希格斯玻色子及其相關的能量場以賦予其他基本粒子的質量而聞名。在一個充滿大量粒子的暗區中，認爲他們從暗等價物中獲得質量是有意義的。柯廷說，正確探索希格斯入口的最好方法是產生大量的希格斯玻色子，而我們唯一能做的就是在我們最強大的原子加速器那裡。事實上，柯廷認爲大型強子對撞機可能一直在製造暗希格斯粒子。但是，儘管常規的希格斯粒子在逃脫探測器之前就已經分裂了，但暗希格斯粒子避免相互作用的傾向意味着它的壽命可能足夠長，可以不受任何影響地離開。

我們已經知道這些長壽命粒子的存在，所以沒有理由認爲來自暗區的新粒子在衰變之前不會傳播很遠的距離。柯廷說，我們發現的長壽粒子可能是暗希格斯粒子，或者是來自暗區的另一種粒子，它們與暗希格斯粒子相互作用。“要知道，唯一的方法就是找到長壽的粒子，並研究它們的性質。”

這似乎是個不切實際的任務。畢竟，從理論上講，這些粒子可能在任何地方消失。但是宇宙學的觀測對它們的持續時間設置了一個限制--大約0.1秒，所以訣竅是覆蓋LHC周圍足夠大的區域來捕捉它們，不管它們從碰撞點往哪個方向移動。正因爲如此，柯廷和他的同事們在大型強子對撞機上提出了一種新的探測器來捕捉它們。他們稱它爲MATHUSLA，以瑪土撒拉（Methuselah）的名字命名，瑪土撒拉是聖經中的人物。

它本質上相當於光束線上方的一個巨大的倉庫，天花板上掛着探測器來跟蹤任何能到達這一點的粒子。柯廷說，它可能在2026年準備就緒，屆時大型強子對撞機產生的希格斯玻色子將至少是現在的10倍。這是我們看到長壽粒子，包括暗希格斯粒子的最好機會。

MATHUSLA也可能照亮由中微子提供的第三個暗入口。作爲已知粒子中最小、最輕和最不容易交際的粒子，中微子可能看起來並不有趣。然而，在現實中，他們充滿了神秘感。三種類型的中微子不僅能夠隨意轉化爲另一種中微子（這一過程至今仍未被完全理解），而且它們的質量是令人難以置信的輕。

爲了解釋這些謎團，物理學家們發明了一個更重的第四個“惰性”中微子，這個中微子比其他三個中微子更難辨認。這樣的粒子具有暗物質介體的所有特徵，一個能夠通過中微子入口轉換成規則物質的介體。

問題是，與光子和希格斯粒子不同，中微子只能感受到力，而不能攜帶它們。這意味着還需要另一個粒子來讓暗物質的粒子與惰性中微子相互作用。但這讓事情變得更加複雜。這可能解釋了爲什麼中微子入口在很大程度上已經被忽視了。

在過去幾年，人們纔開始探索暗區通過惰性中微子與我們交談的情景。他們提出的模型是有希望的，但依賴於惰性微子的確鑿發現。目前有幾項實驗正在進行中，今年早些時候，來自費米實驗室一項名爲MiniBooNE的實驗的暗示登上了頭條新聞。

然而，如果我們確實開始可靠地產生這種物質，那麼在我們長期尋找暗物質的過程中，它們將帶來令人興奮的新線索。馮說：“例如，如果我們所識別的暗光子無形地衰變，意味着它衰變爲暗物質，這將告訴我們，暗物質比暗光子更輕。突然間，我們知道暗物質比什麼東西輕。這將排除我們99.9%的理論。“

很難說哪一個入口(如果有的話)會暴露出暗區。加州大學河濱分校的弗利普·塔內多(Flip Tanedo)表示，事實上，問這個問題就是在忽略這一點：“我們之所以不敢說‘這是最好的候選者’，是因爲我們不再這麼想了。”