有些我們不知道的東西在做著我們不知道的事情。
——阿瑟·愛(ài)丁頓
科學(xué)家，就像運(yùn)動(dòng)員，對(duì)成功帶來(lái)的快感著迷。就像他們害怕失敗所帶來(lái)的痛苦。但有時(shí)候失敗更值得一提。2016年所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都迫使物理學(xué)家不得不直面這樣的失敗，而且不止一次，而是兩次。
尋找暗物質(zhì)的失敗暗示著科學(xué)家或許需要新的方法來(lái)探索宇宙的奧秘。（? David Curtis）
根據(jù)理論，暗物質(zhì)應(yīng)該大量存在于宇宙之中，但是它仍然拒絕出現(xiàn)在被設(shè)計(jì)用來(lái)尋找它們的探測(cè)器和實(shí)驗(yàn)之中。
過(guò)去幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直致力于尋找全新的亞原子粒子，它們應(yīng)該散布在廣袤的空間之中。如果引力只來(lái)源于發(fā)光的物質(zhì)，那么星系就旋轉(zhuǎn)的太快。肯定有某些東西在那里——一個(gè)看不見(jiàn)，未經(jīng)確認(rèn)的引力來(lái)源，并且不像恒星和氣體那樣發(fā)光。事實(shí)上，假設(shè)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是正確的，許多天文觀測(cè)手段都顯示宇宙中有85%的物質(zhì)都屬于暗物質(zhì)。
科學(xué)家相信，每秒鐘，就有數(shù)十億這些暗物質(zhì)粒子穿過(guò)我們的身體。當(dāng)然，我們的身體對(duì)此不會(huì)有任何的察覺(jué)。但是，一些精巧的探測(cè)器應(yīng)該有能力記錄暗物質(zhì)粒子撞上探測(cè)物質(zhì)中的原子核所發(fā)出的光。
但是這些實(shí)驗(yàn)不斷地給出零結(jié)果。比如在今年八月的時(shí)候，世界上最靈敏的暗物質(zhì)探測(cè)器LUX宣布他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)可疑信號(hào)；在南極洲的IceCube尋找暗物質(zhì)的候選者——惰性中微子，也給出了零結(jié)果。
世界上最靈敏的暗物質(zhì)探測(cè)器宣布他們沒(méi)有找到任何暗物質(zhì)的信號(hào)。（? C.H.FAHAM）
物理學(xué)家仍然在努力的尋找中，很大程度上是因?yàn)樗麄冞€有另一個(gè)動(dòng)機(jī)相信暗物質(zhì)是由一種全新的粒子構(gòu)成，那就是超對(duì)稱(chēng)理論所預(yù)言的新粒子。
物理學(xué)家之所以被超對(duì)稱(chēng)吸引是因?yàn)樗梢越鉀Q許多未解的問(wèn)題，比如解釋等級(jí)問(wèn)題。超對(duì)稱(chēng)理論起源于物理學(xué)家努力地理解基本作用力和物質(zhì)之間的對(duì)稱(chēng)性，就像愛(ài)因斯坦的相對(duì)論的基本思想源于他對(duì)空間和時(shí)間的對(duì)稱(chēng)的探索。
超對(duì)稱(chēng)理論的方程預(yù)言超對(duì)稱(chēng)粒子的存在，這些超對(duì)稱(chēng)粒子要比現(xiàn)在已知的粒子重的多：所有的費(fèi)米子都有一個(gè)玻色子的超對(duì)稱(chēng)伙伴，以及所有的玻色子都有費(fèi)米子超對(duì)稱(chēng)伙伴。一個(gè)大質(zhì)量的超對(duì)稱(chēng)粒子有著可以作為暗物質(zhì)候選者的性質(zhì)；它跟普通物質(zhì)之間的作用是非常弱的，因此物理學(xué)家給這樣的一種粒子取了個(gè)名字叫“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（WIMP）。
LUX探測(cè)器位于美國(guó)南達(dá)科他州一座廢棄金礦地下4580英尺(約合1400米)
對(duì)于許多物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些動(dòng)機(jī)的匯合并使我們有足夠的理由相信：并沒(méi)有巧合這回事。這被稱(chēng)為“WIMP奇跡”，是尋找暗物質(zhì)的主要?jiǎng)恿?。?dú)立于任何理論預(yù)言，天文學(xué)家明顯地觀測(cè)到神秘的引力來(lái)源，很可能是來(lái)自未知的粒子。獨(dú)立于空間中的引力異常，理論家預(yù)言新的大質(zhì)量粒子散布在宇宙之中。兩者相互支援，正如幾個(gè)世紀(jì)以前牛頓的引力定律之所以贏得信任是因?yàn)樗晒Φ亟忉屃诵行堑能壍篮偷袈湓诘孛娴奶O(píng)果。
許多物理學(xué)家認(rèn)為世界上最強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）——會(huì)產(chǎn)生WIMP。但是對(duì)暗物質(zhì)的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有找到任何WIMP的蛛絲馬跡，LHC在今年沒(méi)有看到任何產(chǎn)生WIMP的信號(hào)。上個(gè)月底，LHC的CMS團(tuán)隊(duì)發(fā)表了他們最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于那些超對(duì)稱(chēng)理論的支持者來(lái)說(shuō)，結(jié)果可能會(huì)使你們失望。即使對(duì)撞機(jī)達(dá)到了有史以來(lái)最高的能量，獲取最多的數(shù)據(jù)，我們?nèi)匀粵](méi)有看到任何新的東西。
負(fù)責(zé)探測(cè)光子信號(hào)的光電倍增管，安裝在LUX暗物質(zhì)探測(cè)器的頂部和底部。它們將記錄暗物質(zhì)粒子與氙原子核的撞擊位置和強(qiáng)度
這意味著我們應(yīng)該放棄尋找WIMP嗎？仍然有希望。LHC實(shí)驗(yàn)或許隨時(shí)會(huì)制造超對(duì)稱(chēng)粒子；暗物質(zhì)探測(cè)器也隨時(shí)可能在空中捕捉到WIMP。對(duì)WIMP的搜索仍然沒(méi)有結(jié)束，雖然時(shí)間緊迫，但科學(xué)家還有機(jī)會(huì)繼續(xù)探索。
然而，所有的零結(jié)果也可能預(yù)示著我們?cè)谧非罄斫庥钪娴倪^(guò)程中有一個(gè)雙重危機(jī)。如果WIMP不存在，就有兩個(gè)巨大空白需要我們?nèi)ヌ钛a(bǔ)?？隙ㄓ衅渌臇|西在影響著星系的運(yùn)動(dòng)。也肯定存在其它的理論可以取代超對(duì)稱(chēng)幫助物理學(xué)家解釋等級(jí)問(wèn)題。
對(duì)稱(chēng)性讓我平靜。缺少對(duì)稱(chēng)性則讓我發(fā)狂。
——伊夫·圣·羅蘭
在更深層次，雙重失敗使我們對(duì)構(gòu)建20世紀(jì)物理學(xué)的方法提出質(zhì)疑?；蛟S用對(duì)稱(chēng)性原理來(lái)破譯自然的基本設(shè)計(jì)已經(jīng)到達(dá)了一個(gè)瓶頸，我們需要去探索隱藏在自然背后更深層的基本原理。上述提到的動(dòng)機(jī)或許更像是物理學(xué)家一廂情愿的想法，而不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评怼?/font>
LHC的ATLAS實(shí)驗(yàn)對(duì)撞，科學(xué)家沒(méi)有找到任何超對(duì)稱(chēng)粒子的證據(jù)。（? ATLAS）
不管如何，我們都不必感到失落。這些零結(jié)果——沒(méi)有新發(fā)現(xiàn)——告訴我們物理學(xué)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，我們需要學(xué)習(xí)和探索的還有很多，它也暗示了下一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們目前所能想象的。或許有某些非常革命性的想法就隱藏在今天失敗的背后。但也或許不。例如，影響星系運(yùn)動(dòng)的神秘引力來(lái)源或許不是WIMPs，而是另一種更輕的理論粒子，稱(chēng)為軸子。答案是什么我們還不知道。
這對(duì)于那些富有創(chuàng)造力的科學(xué)家是一個(gè)絕佳的時(shí)期。自然越是不愿意輕易顯露答案，越是能夠激發(fā)我們的好奇心和想象力。我們所要做的就是在追求真理的道路上不斷前行。
參考來(lái)源：
【1】T. Siegried. Shadows of two failed searches loom over physics. Science News.
【2】E. Conover. Dark matter come up empty. Science News. Vol. 190, November 12, 2016, p. 14.
【3】E. Conover. Supersymmetry’s absence at LHC puzzles physicists. Science News. Vol. 190, October 1, 2016, p. 12.
【4】T. Siegfried. Light in the dark. Science News. Vol. 183, January 12, 2013, p. 18.
【5】http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/SUS-15-012/index.html
擴(kuò)展閱讀：
【1】G. Bertone and D. Hooper. A History of Dark Matter. arXiv:1605.04909v2, May 24, 2016.
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