從超重粒子到超輕粒子︰在尋找暗物質之路上分散投資

1964年希格斯玻色子首次出現在理論物理學中，2012 年CERN才找到希格斯玻色子；1916年重力波伴隨著廣義相對論初見於物理學中，2015 年LIGO才觀測到重力波——希格斯玻色子和重力波都紙上談兵了好幾十年，才被科學家觀測到。

也許下一個不再是紙上談兵的是「暗物質」了。
 

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暗物質的質量佔了宇宙的27%，但偵測它卻一點也不容易——它不反射、吸收、發出光線，我們也不知道它具體如何與其他已知的粒子互動。

暗物質的本質是什麼？科學界對此一直眾說紛紜。其中最有望脫穎而出的假說是：「暗物質是一種大質量弱交互作用粒子（WIMP），它的質量約為質子的100倍。」過去10年間，雖然尋找WIMP的實驗靈敏度都突飛猛進了，但即使是最強大最頂尖的探測器，仍無法捕捉到WIMPs的蹤影。

「到現在仍未有任何找到暗物質的徵兆，對此我有點驚訝。」Southern Methodist University 物理系教授兼超低溫暗物質搜尋計劃（SuperCDMS）的參與者約迪‧科里（Jodi Cooley）說︰「這對理論物理學家和實驗物理學家都是一個挑戰，驅使了他們去開闢新道路。」

杳無音訊的WIMP讓科學家尋找其他研究方向，是否代表WIMP假說已經是風中殘燭？

不盡然。「科學家們的點子趨向多樣化。」費米國家粒子加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）的高級科學家丹‧霍柏（Dan Hooper）說︰「WIMP假說並沒有消失，科學家仍然對它相當感興趣；只是我們會對於其他理論抱持更開放的態度。」

揭不開WIMP的面紗，可能是因為事實上暗物質的粒子質量其實沒WIMP那麼重。要是如此，它們的交互作用會更不明顯、更隱秘、更難偵測。「低質量暗物質說」不單可以解釋暗物質如何一直逃過探測器的法眼，似乎還提供了一些新的實驗方向。

另一個暗物質的熱門候選人是軸子（axion）。在粒子物理學中，軸子比WIMP輕得多。在尋找暗物質的粒子散射實驗中，軸子甚至輕得無法被偵測。「相較於WIMP，軸子真的很輕。」軸子暗物質實驗（Axion Dark Matter Experiment，ADMX）一員的丹尼爾‧玻林（Daniel Bowring）說︰「一般我們談論WIMP時，都是在討論質量介乎10 GeV和1000 GeV之間的粒子。但如果我們要找軸子，那我們就要找出質量為μeV數量級的粒子了。」[註1]

軸子其實不是新玩意，科學家們早已經對軸子略懂一二。這部分要歸功於ADMX的改進，這讓科學家能偵測又小又輕的粒子。

暗物質是不是粒子？

因為暗物質透過重力來展示自己的存在，所以有些理論物理學家認為它不是一種全新的粒子，而是重力表現得不像我們理解的一樣。「我認為支持粒子說的證據比支持重力說的要強。」科里又補充︰「不過我們不應該否決任何一個研究方向——因為最終搞錯的有機會還是我們（支持粒子說的科學家）。但我願意把幾乎所有家財賭在粒子說身上。」

部分科學家支持粒子說的原因是，它能夠解決物理學中其他未解之謎——不論它是WIMP還是軸子。

比方說，有一個假說叫做「WIMP的奇蹟」。

「無論暗物質的本質是什麼，我們都認為它是在大爆炸時產生的，當時的暗物質可能會與一般物質發生交互作用並處於動態平衡。其後，暗物質冷卻下來，它喪失與一般的物質發生交互作用的能力，並變成現在的狀態。如果我們知道某種粒子的交互作用方式和質量，我們就可以做一些計算，然後計算暗物質的含量並與現實作對照。」霍柏解釋。

軸子的質量與WIMP是天壤之別，但軸子暗物質卻可以解釋別的現象。「人們喜歡軸子理論，是因為它可以解釋到標準模型的一些問題。」玻林還補充︰「軸子（Axion）的名稱來源是一種家用清潔劑，它可以『把標準模型清理乾淨』。」軸子可以解釋CP對稱性破壞——它可以解釋為何宇宙中的物質會多於反物質。

同時，暗物質亦有可能不只是WIMP、軸子或某一種粒子，而是多種粒子的混合而成的「雞尾酒」。雞尾酒暗物質說仍是一個人跡罕至的課題。「我們將會發表更多論文討論多種粒子的暗物質。」霍柏指出︰「如果暗物質是由多種粒子構成，它們之間可能會有交互作用，但它們卻不太會與一般的物質發生交互作用。這方向既有趣且合理。」

相輔相成的理論

若科學家們能觀測到這些粒子，他們就知道暗物質的成份是什麼。「暗物質的粒子每分每秒都流過地球，它們一直都在我們身邊。」科里說︰「我們想做的，就是捕捉暗物質的粒子與我們的儀器發生交互作用的一瞬間。」

科里告訴我們，美國投資在研究暗物質的資金中，最大部分用於三個大相逕庭卻又相輔相成的技術︰

1. 液態氙時投影室（Liquid Xenon Time Projection Chamber）
2. 超低溫暗物質搜尋計劃（Super Cryogenic Dark Matter Search，SuperCDMS）
3. 軸子暗物質實驗（Axion Dark Matter Experiment）

「現存林林總總的暗物質假說，當中大部分都可由這三個研究驗證。」科里說︰「美國也投放了一些資金在較小的計劃中……　新技術將來也可能應用於暗物質的研究。」

位於意大利的大薩索山實驗室（Gran Sasso Laboratory）中的氙 – 1T實驗就是一個液態氙時投影室——探測器中盛滿了超低溫液態氙，靜待與暗物質發生反應。理論上，一粒WIMP——或者其他足夠重的暗物質粒子——經過探測器時，它會產生一次雖微弱但可觀測的閃光。

而SuperCDMS的技術則存在了幾個年代了，但位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站實驗室（Sudbury Neutrino Observatory，SNOLAB）擁有最新改良的技術。這技術的基礎是這樣的︰在極低溫時，矽和鍺的晶格幾乎不會振動，當暗物質與這些晶格發生交互作用時，這些晶格會微弱地振動，科學家透過相當靈敏和準確的測量來找出晶格的振動，並以此發現包括WIMP或其他粒子組成的暗物質。「我們可以用新世代的技術去測量非常輕的暗物質粒子。」

由於ADMX主要是探測小質量的軸子而非WIMP，它背後的技術與前者南轅北轍。「軸子與電磁場的交互作用非常輕微但並非不存在。故此，在極強的磁場中，軸子可以變成光子。而該光子的頻率則由軸子的質量而定。」玻林解釋道︰「因為我們不知道軸子質量，所以我們事前其實不知道應該偵測哪個頻率的光子。這就像你嘗試用收音機找出信號非常微弱的特定某個電台——背後沒什麼訣竅，總之先去找找看就對了。」

涓滴而成的結論

當某探測器顯示它抓到暗物質的痕跡時，科學家們並不會馬上丟下手上所有的工作然後開嘉年華會大肆慶祝，也不會宣告大功告成然後回家倒頭大睡。「通常科學家們會懷疑是次結果，並提出很多可能導致這觀測結果的其他解釋。」霍柏說︰「把很多不同的實驗結果拼湊成一幅大圖像，這是尋找答案的王道。求真的道路是點滴累積的實驗。」

科學家會要求多個探測器都有相似的陽性結果以作對照，才可以斷定他們手上的陽性結果並非假陽性。以希格斯玻色子為例，因為CERN中的兩個大型強子對撞機ATLAS和CMS都偵測到相同的訊號，所以希格斯玻色子的存在就能很快被確認。然而在暗物質方面，除了意大利大索薩山的DAMA/LIBRA探測器以外，沒有一個探測器有給出過陽性觀測。

所以直到現在，科學家的主流意見都認為我們還未找到暗物質。但現在是尋找它的絕佳時機。「我們手持新技術，大家都在思考這些技術會引領我們至何方。這是讓人興奮又期待的時期。」科里指出，要讓暗物質的研究保持進度，資金必不可少，它會投放在探測器和創新的想法中︰「這就像投資組合一樣︰你會把資金放在手上進行中的項目（WIMP），同時也得高瞻遠矚，想清楚有怎麼樣的可能性等著我們。」

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註1

eV 本身是能量單位，1 eV = 1.6 × 10^–19 J。粒子物理學中，常以E = mc²一式來把質量換算成等價的能量，以讓變換後的質量數值更易於互相比較。

因此，玻林提及到WIMP的質量範圍「10 GeV至1000 GeV」等價於約「1.8 × 10^–26 kg 至1.8 × 10^–24 kg」。而軸子的質量數量級 1 μeV 則約等於1.8 × 10^–42 kg。

感謝American Physical Society授權物理雙月刊翻譯本文並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。

編譯者︰文裕

原文刊登於APS News July/2018

https://www.aps.org/publications/apsnews/201807/dark-matter.cfm