D对于大多数天文学家来说，方舟物质就像恒星和行星一样触手可及。我们经常在地图上画出来。我们把星系想象成带有少量发光物质的暗物质块。我们理解宇宙结构的形成，以及整个宇宙的演化，都是基于暗物质。然而，经过十年的精密搜索，仍未能直接探测到这种物质。我们看到它投下的阴影，但完全不知道宇宙的黑暗面可能包含什么。
它肯定不是任何普通的物体或粒子——这早就被排除在外了。理论偏见倾向于一种新型粒子，这种粒子与普通物质的相互作用很弱。大量这样的粒子应该一直在我们的星球上流动，按理说，你会认为其中一些粒子会留下痕迹。物理学家们已经培育出晶体，并在低温桶中装满，将它们深入地下，筛选出普通的粒子，并观察微小的热脉冲和闪光，这些会暴露出某种从未见过的东西的通过。到目前为止，结果并不令人鼓舞。在南达科他州的铅镇，LUX实验在一个废弃金矿地下一英里处进行。它什么也没找到。在中国，金平地下实验室的PandaX实验是在2.4公里的岩石下的隧道中进行的。它什么也没找到。在法国阿尔卑斯山脉Fréjus附近的一条公路隧道中，EDELWEISS实验在1.7公里深的地方一无所获。 And the list goes on.
零结果正在迅速压缩参数空间中暗物质可能潜伏的区域。面对数据的匮乏，理论物理学家已经推测出更多的奇异粒子，但这些候选粒子中的绝大多数将更难被发现。相反，人们可以希望在粒子加速器上产生暗物质粒子，这样我们就可以推断出它们的存在：通过检查粒子碰撞中的能量是否丢失。但是大型强子对撞机已经尝试了这一点，到目前为止还没有发现任何问题。一些理论家怀疑暗物质不存在，我们的引力理论爱因斯坦的广义相对论把我们引入歧途。广义相对论告诉我们，如果不被看不见的物质聚集在一起，星系就会分裂，但这个理论可能是错误的。然而，广义相对论已经通过了所有其他观测测试，所有对立的理论似乎都有致命的缺陷。
百分之八十五的物质是未知的。我们最大的恐惧是，它将永远如此。
A.尽管大多数实验结果都不理想，但有两个确实声称发现了暗物质。由于不同的原因，这两种说法都极具争议性。这些异常值很可能是错误的，但它们值得仔细研究。如果没有别的，这些例子说明了在宇宙的所有其他碎屑中发现暗物质的困难。
格兰萨索实验室(Gran Sasso Laboratory)的DAMA/LIBRA粒子探测器安装在意大利北部一座山下1.4公里的隧道中，寻找碘化钠晶体中原子核散射的暗物质粒子引起的闪光。它已经收集了超过13年的数据，并发现了一个非常奇特的现象。粒子检出率随季节变化而起伏，6月为最大值，12月为最小值。
这正是你对暗物质的期望。暗物质被认为形成了一个巨大的云团，包裹着银河系。我们的太阳系作为一个整体正在穿过这片云。但是，由于各个行星围绕太阳的轨道运动，它们在云中以不同的速度移动。地球相对于云层的速度在6月达到峰值，在12月达到最低点。这将决定暗物质粒子通过地球探测器的速率。
我们看到它投下的阴影，却不知道宇宙的黑暗面可能包含着什么。
否定DAMA通过非常高的统计显着性检测如此季节性调制。但是许多其他颗粒来源也随着季节而变化，例如地下水流量（影响放射性的背景水平）和在大气中生产其他颗粒，例如μONs。最后统计，世界各地的其他五个实验索赔的限制与达巴尔的索赔不一致。但是，确定的唯一方法是在一个或多个不同位置在相同类型的检测器中复制实验，现在正在进行几个这样的实验。人们将在南极，当地季节性效果不相位，与意大利的季节性效应截然不同。
暗物质的第二个有趣的暗示来自间接实验，这些实验并不寻找难以捉摸的粒子本身，而是寻找它们相互碰撞并相互湮灭时产生的次级粒子。2008年，一颗名为PAMELA（用于反物质/物质探索和轻核天体物理学的有效载荷）的意大利-俄罗斯卫星观测到来自深空的正电子（电子的反物质版本）数量出人意料地高。国际空间站上的阿尔法磁谱仪最近证实了这一观察结果。与此同时，费米卫星报告说，伽马射线的漫射辉光从我们银河系的中心延伸到约20度。它的形状正是暗物质所期望的：围绕银河系中心呈球形对称，强度向中间上升。
这几乎似乎太好了。遗憾的是，正电子和伽马射线观测都可以通过快速旋转称为毫秒脉冲脉冲的中子恒星来解释。正弦只是不符合可行的暗品候选人的签名。为了解决这种情况，我们需要检查正弦是否往往来自已知中子恒星的方向。伽马射线的波动已经倾向于赞成在银河中心附近的许多弱和未解决的脉冲源的选择。此外，如果伽玛来自暗物质，则天文学家应从附近的小矮星系中检测类似的信号，这些信号与我们自己的星系具有比例大量的暗物质。没有检测到这样的信号。
M我们的大部分研究工作都集中在最简单的候选粒子上，称为WIMP：弱相互作用的大质量粒子。“弱”一词是一个双重名词：相互作用是弱的，它通过所谓的弱核力发生。这些粒子是粒子物理标准模型的自然延伸。即使不知道细节，副词“弱”也足以计算出宇宙中应该有多少这样的粒子。在大爆炸的炽热原始汤中，粒子自然地被创造和破坏。随着宇宙膨胀，温度下降，不同类型的粒子一个接一个地停止形成，这取决于它们的质量。粒子仍然可以被破坏，其速度取决于它们的相互作用强度，直到它们扩散得太广而无法相互碰撞。
考虑到WIMP应该具有的相互作用强度，你可以运行这些数字，你会发现早期宇宙的坩埚应该已经创造了观测到的暗物质数量。由此产生的粒子的质量应为数百个质子。总而言之，粒子暗物质有一个天然的最佳点，被称为“WIMP奇迹”
但也许这是一个美丽的假设被丑陋的事实所扼杀的例子。物理学家们正变得越来越绝望，开始探索他们过去认为是次优选择的可能性。
我们正处于科学家梦寐以求的境地。旧观念行不通；需要新的。
也许暗物质粒子的质量非常大。不过，有一个基本的权衡。粒子的质量越大，天文学家观测到的总质量所需的粒子就越少，而且粒子的数量可能太少，以至于我们的探测器会漏掉它们。物理学家需要找到一些完全替代的搜索策略，可能涉及到这些粒子对旧中子星或其他天体的影响。
相反，暗物质粒子可能太轻，以至于在我们的探测器上不会留下太多的痕迹。为了寻找它，物理学家可能会利用大自然已经为我们提供的探测器：太阳。当太阳穿过银河系暗物质云时，它可能会扫过粒子。这些粒子可以驱散太阳中的质子并改变其温度分布。这将影响在太阳上层上升、下降和旋转的气体漩涡的湍流运动。我们应该能够通过太阳地震学的科学看到这一点，太阳地震学研究太阳内部传播的扰动及其对地表的影响，就像我们通过地震学研究地球地震一样。事实证明，有一些无法解释的太阳地震学异常很难与我们的标准太阳模型相一致。
如果暗物质粒子在太阳中聚集，它们也可能在核心中湮灭。这将产生高能中微子，日本中部的超级神冈和南极的冰立方天文台等探测器都能看到。到目前为止，还没有关于候选人事件的报道。
超轻质颗粒的最极端的例子是轴，假设弱相互作用的颗粒，其质量的数量或更少。它不会完全暗，但是会相互作用，并且可以在强磁场腔内产生微波光子。自20世纪80年代以来，旨在检测轴的实验一直在运行，随着WIMP探测器的成功而成功。
也许暗粒子甚至不是一个粒子，而是一个被一位理论家称为“非粒子”的粒子。非粒子是电磁场的远亲，它们的能量不是以离散的包形式出现的。它们可能会在对撞机数据中留下间接痕迹。也许暗物质的身份没有单一的解决方案。毕竟，普通物质也是由多种粒子组成的。暗物质也可能有几个贡献者，通过稀释任何特定候选粒子的假定特征，使得搜索更加困难。也许暗物质根本不相互作用，除了引力作用。这将使实验者的生活更像一场噩梦。
我一定感觉，我们处于各种科学家的梦想中。旧的想法不起作用;需要新的。这些可能来自探索新颖的粒子类型，或者我们可能会发现完全一致的重心理论，完全用暗物质吞噬。
令人担忧的是，大自然把新物理学放在了一个我们找不到的地方。虽然我们还没有完全耗尽对大质量弱相互作用粒子的研究，但实验能做的也就这么多了。当它们对暗物质变得更加敏感时，它们对垃圾粒子也变得更加敏感，而且它们不能总是区分这两者。以目前的发展速度，在十年内，它们将被太阳或宇宙射线与地球大气层碰撞所释放的中微子弄瞎。
此时，我们仍然可以追求间接检测手段。其中一个最有前途的是Cherenkov望远镜阵列，智利和拉帕尔玛的100多个望远镜的组装，其中包括在我们的银河系和其他人中湮灭暗物质颗粒而产生的伽玛光线。但最终，这种搜索策略将遇到另一个问题：成本。目前，黑暗物质探测器是主要物理实验中最经济的，但如果我们需要继续提高其大小，敏感性和复杂性，他们的价格标签可以竞争庞大的Hadron Coller（近70亿美元））和詹姆斯韦伯太空望远镜（约80亿美元），没有保证成功 - 为政治家而言非常坚硬。
发现暗物颗粒的最强大的工具将是一个新的粒子撞机。从现在开始快速转发三十年，物理学家计划建立一个撞机，其中七倍的LHC的力量。研究在中国和欧洲正在进行中。从LHC粗暴地扩大，它将在今天的美元中占250亿美元。在各国分享并在几十年中传播，这可能是可行的。但这可能是极限。即使物理学家有无限的资源，也没有任何东西可以获得任何更大的东西。此时，任何未知的颗粒都必须如此大量的，这是与其较轻的对应物相同的方式产生的颗粒，大爆炸不会产生足够的数量。
尽管作出了这些巨大的努力，我们可能找不到任何信号。这将是一个暗淡的前景。也许没有暗物质。我们一直在寻找与广义相对论的偏差。到目前为止，我们还没有找到。相反，2016年引力波对黑洞的探测支持了爱因斯坦的理论及其推论，即暗物质的存在。
但要看到好的一面。大自然的黑暗面可能存在着巨大的神秘和启示，除非我们去探索，否则我们永远也看不到。目前，我们一直在寻找粒子。除了继续前进，我们别无选择。
约瑟夫丝是牛津大学的宇宙学家，同时也在巴黎和约翰霍普金斯大学的天体物理学研究所任教。他是研究宇宙微波背景辐射和宇宙结构形成的先驱。
这篇文章最初发表在鹦鹉螺宇宙2017年2月。
