这是科学界缺失的最大一起拼图：咱们能察看到的物资，仅占总共物资的百分之五。本文所叙述的，是史诗般的暗物资探寻之旅。

位于加拿大安大致省的SNOLAB实践室

加拿大有一座特别的矿井，名为克雷顿矿。它位于安大致省萨德伯里原野的丛林。在哪里，猎奇的熊类往往出没，到人们后院寻食覆盆子。矿工们头戴蓝色平安帽，前去地下开垦镍矿。他们在黑暗当中，踏入半开半合的起落机，颤颤巍巍地下探到宽大的穴洞内；和他们偕行的，尚有另一群头戴橙色平安帽的人。这些人的方针天壤之别，他们要开垦的，是一片虚空。

起码到当前为止，仍旧一片虚空。

他们是一群物理学家，任事于巨型地下实践室SNOLAB。其深度达2公里，能摞下四个半帝国大厦。SNOLAB的探测器巡逻全面六合，探寻一种电光石火的东西：暗物资。人们信赖，六合中绝大部份物资都由它孕育。

这是一场宏伟的寻找，但停止当前，咱们照旧一无所得。

眼下，在六合总共物资中，咱们能探测到的仅占戋戋5%，它们孕育了总共的星系、恒星、行星、黑洞、类星体、脉冲星、中微子——以及人类和此外总共地球性命。撤废它们，此外都是未知的东西：暗物资（25%），以至越发深奥的暗能量（70%）。咱们能观测到暗物资对恒星和星系的引力影响，但经由千般试验，便是无奈用任何仪器，捕获到它的“暗”粒子。

挠一个宏伟的“痒”

为甚么要吃力捕获？当然，咱们无奈利用暗物资，创造出新一代的六合智妙手机，也不能用它点石成金。但经由观测暗物资，咱们兴许也许知道：星系何以聚而不散——以咱们察看获得的原子物资来看，它们早该四分五裂了。终归，咱们所处的星河系，据信就窝在一大片暗物资当中，那便是所谓的暗物资晕。

找寻暗物资尚有助于说明深空察看中的光学错觉——即在望远镜察看完毕中，一些星系带有奇异的光弧或光环。协商人员说，这些星系的前程中，有一大团暗物资，其影响相当于庞大的引力透镜，歪曲了来自星系的光，并夸大了星系的成像。这类景象被称为引力透镜效应。

简而言之，科学家探寻暗物资，是为了挠痒——一个宏伟的痒。“深夜人静时，你久久不能安眠，协商着‘这一共到底象征着啥？’便是如斯一种痒。”德国弗赖堡大学的实践物理学家丹尼尔·科德雷（DanielCoderre）说。

协商人员乘坐起落机，下到2公里深处，再在矿井中徒步穿行1.4公里，才略来到SNOLAB实践室。

“没有完毕”不即是一无所得

乔·沃尔丁（JoeWalding）是伦敦大学皇家霍洛威学院的一名物理学家，常去SNOLAB办事。他踏入高低两层的起落机，下探历程需求约六分钟，并且不合适胆怯人士：起落机内没有照明，伸手不见五指；顶部是半怒放式的，下探历程伴有激烈的摇摆和撞击，昏厥景象时有产生。“胳膊当然是不能伸出去的，否则会折断。”沃尔丁半开打趣地说。

他神情不错——这阵子，这边不少物理学家都是如斯：往年5月，SNOLAB的科学家接到一则好音讯。美国动力部曾经容许向该实践室（于年启动）拨款，用于制作崭新的暗物资实践探测器，定于年启动运转。这个超敏锐的SuperCDMS将耗资万美元，其机能高出该周遭任何探测器。它的职责，是发觉此外任何探测器都未发觉的东西——是不是有些困难？

自70年月以来，大把大把的款子砸入暗物资实践，不管是在天外，仍旧地下。经由数不尽的挑灯夜算，以及漫山遍野的媒体报导，协商人员延续两手空空。除SNOLAB除外，咱们尚有LUX实践，它地处美国南达科他州，在一座废除的地下金矿内，距大地1.6公里，但于今一无所得。法国尚有EDELWEISS实践，在阿尔卑斯山下，位于1.7公里的岩石下方，相同毫无停顿。

中公有PandaX实践，位于贵州锦屏地下实践室，但也没有找就任何粒子。昨年，印度的贾杜戈拉地下科学实践室启动，距大地米，在一座经营中的铀矿内。当前也是毫无成绩（终归只找了一年）。如斯各种，不胜枚举。

袁强在培养对于暗物资的演讲

风行的理论是，孕育暗物资的粒子只经由引力——即施加引力——与平常原子物资或光，孕育互相影响。SuperCDMS所要找寻的，是这类怪异粒子中的一类：大品质弱互相影响粒子（WIMP）。这是最重要的暗物资候选粒子（也有说是或者性最大的粒子），是多个探测器探寻的目标。为了创造这些粒子，科学家以至动用了寰宇上范围最大、机能最强的粒子加快器：位于日内瓦邻近的大型强子对撞机（建孕育本近70亿美元）。但也是白费无获。

找寻一种未知的事物，只管一无所得，但仍旧能要到经费，继承篮子取水——如斯的景况还能接连多久？原本，对终身寻找暗物资的协商人员来讲，“没有完毕”的重大性丝绝不亚于有所发觉。

“独一的差别在于：找到了暗物资，你能得诺贝尔奖；但与之平等重大的，是限定暗物资存在的区间。”意大利国度核物理协商所的物理学家沃尔特·富尔吉奥内（WalterFulgione）说。由于，将这个界线继承收紧，就可以消除看似可行的假说，缩窄寻找局限。终归，年，爱因斯坦就预言了引力波，但探测它用了一个世纪；希格斯玻色子也是历经近半个世纪，才被大型强子对撞机拿获。

协商人员明了本人在找寻甚么，经由年复一年的一无所得，他们得以收紧寻找局限。“这场玩耍的弄法，便是经由与日俱增，稳步促成，缓缓撙节或者的模子局限。”美国费米国度加快器实践室（FNAL）的天体物理学家丹·胡珀（DanHooper）说。

阿维·勒布（AviLoeb）是哈佛大学的一名天文学家，他将科学描绘为“一座学识的孤岛，四周被愚笨的海洋所缠绕。”在一片戈壁中，要找到一头狮子，你也许继承扩张没有狮子的地区，使余下地区继承削减，终究锁定狮子的萍踪，他说。但如斯做的前提，是你领会戈壁里有狮子。幸而，多半协商人员都觉得，和戈壁之狮相同，暗物资是存在的，它就在某个处所。

枪弹星团由两个互相撞击的星系团孕育，显露出暗物资存在的凭据。

起落机砸到克雷顿矿的井底，经由一顿窜，终于停可靠了。要来到SNOLAB，协商人员还得穿梭近两公里暗中、狭隘的地道，从镍矿矿工和采矿设备旁，提防地绕行。

但他们要留神的，还不但是采矿功课。在大地上，矿井周遭常有熊出没。一次，一名协商人员出外抽烟，忽然跟三头未成年黑熊打了个照面。一头熊还把头凑到了他的膝盖旁。“他一归来，就猛饮酒压惊。”追思起那时的场景，沃尔丁不由得笑了。

这座镍矿启动于上世纪20年月，但物理实践室年才创设。之于是选在地下深处，不是由于大地上空间不足，而是为了樊篱六合射线的高能粒子，免得高智慧度的探测器遭到烦扰。这些粒子一般是质子，来自六合中的迢遥边际，到地球大气层中，化成此外有数粒子，散落下来，时时刻刻，咱们都接管着它们的浸礼。“咱们特别担忧的是介子，它们会跟探测器周边的物资产生反映，孕育中子，跟暗物资记号混淆。”科德雷说。不过，厚厚的岩层也许阻挡它们，消去这一后台噪音。

只管SNOLAB（以及别处）的暗物资探寻于今无果，但在克雷顿矿的扶助下，有一位科学家——阿瑟·麦克唐纳（ArthurMcDonald）——凭仗中微子协商，荣获了年诺贝尔物理学奖。

中微子是一种阴魂般的粒子，险些没有品质。在超新星暴发等激变产生时，恒星的内核会孕育中微子，但地球上也会孕育中微子。就像暗物资相同，曾经的它也可是存在于理论中，最先提议于年；历经26年，第一颗中微子才被探测到。

为包容SuperCDMS，实践室将实行晋级，增进供电、照明和制冷技能。新的实践安设将包含一个固态锗硅探测器，被冷却到极度低温，跟绝对零度只差涓滴。探测器将由胶囊式的外壳包裹，投入一个水箱，这些水也是一种樊篱，也许削弱矿井射线的后台噪音。安设的不少组件将在大地实践室组装并测试，包含费米实践室、SLAC国度加快器实践室和西北稳定洋国度实践室（PNNL）等地，但末了组装将在地下实行，由SNOLAB告竣。

借使SuperCDMS仍旧毫无斩获呢？统一座矿井中，尚有此外一些实践，例如DEAP-实践，它的技巧略有不同，即利用惰性气体氩气，探测WIMP粒子。沃尔丁就从事于这项实践。在新实践开展的同时，这些探测器将继承寻找WIMP。

但对科德雷而言，缠绕暗物资理论，“没有完毕”反而供应了一种重大的反映，迫使理论做出调换。“一无所得当然使人绝望，但探寻一种崭新的东西便是如斯，这是你务必接管的一种完毕。”他说，“暗物资题目存在一个切确谜底，目前，这个谜底潜藏起来了，而咱们正在尽尽力找到它。”

这象征着多条“阵线”同时反击。在废除和正在经营的矿井中，在大山深处，在天外当中——不少实践都在探寻WIMP。真实的关键，在于高出几十年的稳步积攒，缓缓削减暗物资或者模子的界线。

“SuperCDMS很或者在它的这条阵线上得到结子的停顿。”胡珀说。他还示意，新探测器将聚焦一个新的WIMP品质区间，比此外探测器假如的品质要轻不少。只管此外实践失利了，但SNOLAB将来实践的胜算并不会因而消沉，由于它也许削减暗物资候选粒子的区间。

现今最智慧的暗物资探测器

鉴于SuperCDMS还处于计划阶段，咱们也许将视野转向意大利。

在距罗马一小时车程的亚安静山脉之下，科学家历经几十载，延续在猎寻暗物资。他们的暗物资探测器位于拉奎拉市邻近。为来到实践室，你要投入一条10公里的地道，开上七分钟，直抵最顶峰大萨索山的底部。在一个特别出口拐出，按一个按钮，再有意大利语向门卫自报家门，接着，两扇庞大的金属门渐渐开启，宽大的穴洞显露在你当前，那便是大萨索山国度实践室——这边座落着现今寰宇最智慧的暗物资探测器——XENON1T。

实践室创设于年，头二十年里，重要协商目标是中微子和六合射线。年，第一台探测器XENON10启动。尔后，它一起晋级到XENON，而今已是XENON1T，试图捕获WIMP与平常物资的互相影响。

实践室的地下空间庞大无朋，分红三个“大厅”，每个长约米，宽20米，高18米。XENON1T就处在此中一个。每个大厅都有本人的实践，总共实践加起来有18项。它们波及各样课题，从探测太阳中微子，到探讨太阳内部，到试图捕获马约拉纳费米子（一种设想粒子）的寰宇最大探测器。约著名协商人员任事于该实践室，他们来自32个国度。

在暗物资大厅，最大的架构是一个直径10米、高11米的巨型水箱，很像装食粮的筒仓。它的傍边，是一个三层玻璃修筑，内里塞满低温管、泵、制冷器、子系统和电子设备，它们的方针惟有一个：保护探测器。探测器本人位于水箱内部，封在一米厚的不锈钢低温恒温器内。探测器和周遭一共都由低喷射材料制成，旨在削弱后台“噪音”——就像在SNOLAB相同，喷射性材料会发射出电子、伽马射线或中子，被探测器拿获；罕有的暗物资粒子借使果然浮现了，也会被并吞此中。为进一步压制不须要的后台烦扰（例如六合射线），低温恒温器被浸入水箱，由吨水所缠绕，此外，顶上米的岩石也表现了不小的樊篱影响。

在低温恒温器内部，两吨超低温液氙将仪器包裹了起来。氙气不光无色枯燥，并且是地球上最少见的元素之一，重要产地是俄罗斯、南非和沙特，是炼钢的副产品。

总有一些电子、伽马射线，以及有时来骄气气的介子，也许冲破重重障碍，突入探测器内部。而氙原子被这些粒子驱策时，会发射出渺小的闪烁，这是不少少见气体的联合属性。而液氙有着雄壮的制动技能——它对途经的粒子非常敏锐。

这些闪烁会被光学设备捕获，并实行剖析。到当前为止，总共记号都被否认了。“咱们要找的，是一种前所未见的记号。惟有对后台噪音一清二楚，且后台噪音充分低，这才行得通。”科德雷说，他曾任XENON1T的剖析调解员。

XENON1T于年启动经营，往年5月颁发了最新一批数据，照旧没有完毕。但科学家示意，他们给暗物资效应值限定的区间，到达有史以来最窄：1平方厘米的万亿分之一的万亿分之一，即4.1乘10的负47次方厘米。效应值又称截面，代表WIMP与平常物资——氙原子——互相影响的强度。为断定效应值，科学家梳理了天的数据，遵照预算，这期间至多可录得十场暗物资事故。完毕，甚么都没有——也便是说，WIMP一定比以前假如的还要小。

不管在地下实践室，仍旧山脉邻近的协商设备内，任何功夫都有两人值班。他们用平板电脑遥控职掌探测器，不断

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