由于尚未出現暗物質存在的直接探測證據，也有一些理論試圖在不引入暗物質的情況下解釋已有的天文觀測現象。典型的一類理論是修正的牛頓引力理論（Modified Newtonian Dynamics, MOND）, 這類理論主張牛頓或愛因斯坦的引力理論并不完備，引力在不同的尺度會有不一樣的行為。然而，暗物質存在的證據來自于許多互不相關的觀測現象，要僅僅通過引力理論而不引入暗物質來同時解釋所有的這些現象是非常有挑戰性的。尤其是“子彈星團”事例中觀測到的正在碰撞的星團中可見物質和其質量中心的明顯分離，是支持暗物質存在而非引力理論需要修改的觀測證據。

     即使暗物質粒子與常規物質僅有微弱的相互作用，暗物質粒子也有可能被精密的實驗儀器探測到。目前科學家采用的探測手段可以分為三類：一是探測暗物質粒子直接與探測器中的物質發生相互作用，稱為“直接探測”；二是尋找宇宙中暗物質自身衰變或湮滅產生普通物質的信號，稱為“間接探測”，三是探尋粒子對撞機中人為產生的暗物質粒子，稱為“加速器探測”。

       在意大利大索薩山底，在美國南達科他州的廢棄金礦下，在中國四川錦屏山地下隧道里，數以噸計的液氙一直在等待與暗物質粒子進行一次“電光石火”的碰撞。但近幾年來相關實驗進展依舊沉寂，科學家們開始更多地考慮另一種可能性：如果暗物質粒子質量更小，相互作用更弱，無法通過碰撞探測到呢？

　　據報道，北京時間4月9日晚間，美國能源部費米國家實驗室和華盛頓大學發表在《物理評論快報》上的一篇論文宣布，其聯合運作的軸子暗物質實驗（ADME）在國際上首次達到了探測暗物質理論預測模型軸子（axion）的精度要求。

　　《物理評論快報》是物理領域的國際頂級期刊。2016年引力波成功探測的成果，正是發表在該期刊上。

　　這意味著人類為捕捉暗物質粒子開辟了新的戰場。目前，這個位于西雅圖的實驗裝置公布了首批探測結果，為軸子可能隱藏的區間做出了更精確的限定。在未來幾年，科學家們將啟動大規模的搜尋。

　　“這個結果標志著我們真正啟動對了對軸子的獵捕”，實驗運行主管Andrew Sonnenschein表示，“如果暗物質軸子在我們搜尋的頻率區間內，那找到它只是時間問題。”

　　實驗首席科學家Leslie Rosenberg也充滿信心：“技術足夠了。我們不再需要奇跡了，我們只需要時間。”

　　看不見但感受得到的暗物質

　　盡管暗物質粒子參與電磁相互作用，無法被“看”到，但它們的存在切切實實地影響到了可見物質的運動，從星系到宇宙學尺度上的觀測均可驗證。

　　比如，我們所在的太陽系圍繞銀河系中心旋轉的實際速度，明顯快于基于牛頓引力定律的計算結果。這意味著，銀河系中存在大量不可見的神秘物質提供了額外的引力。若非如此，太陽系早該被“甩”出去才是。

　　從1980年代開始，暗物質開始為主流學界所承認。暗物質粒子能產生引力，不參與電磁相互作用，這是人類對這種神秘物質的全部認知。針對更進一步的細節，科學家們提出了不同的理論預測模型，其中弱相互作用大質量粒子（WIMP）和軸子（axion）是最為主流的兩種。

　　WIMP假設暗物質粒子參與引力和弱核力，質量相對較大。根據計算預測，每分每秒都有無數暗物質粒子穿透地球，因此，文章開頭所說的幾個地下WIMPs探測實驗，即歐洲XENON實驗、美國LUX實驗和上海交通大學PandaX實驗，均采用了守株待兔的策略進行直接探測。一旦WIMPs與數噸液氙原子中的一個發生了碰撞，其沖能就會轉化為光電信號，被探測器中靈敏的光電管記錄下來。實驗室設立在千米深的地下，是為了更好地屏蔽外界的噪音。

 

錦屏地下實驗室 四川日報 圖

　　軸子則是在斯坦福大學物理學家Helen Quinn和Roberto Peccei的工作基礎上衍生出來的假設。現任上海交通大學李政道研究所所長、2004年諾獎得主Frank Wilczek在1980年代以一種洗滌劑的名字axion命名了這種暗物質粒子的候選人，因為它可能“洗滌”人類對時間可逆性的認知。

　　軸子的質量非常小，可能只有電子質量的萬億分之一，相互作用也更弱，無法像WIMP那樣通過碰撞探測到。不過，在強磁場下，軸子會轉化為光子。光子信號被諧振腔增強后，就能被探測器“聽”到。

　　又黑又冷的收音機

　　“你就想象成一個收音機吧，”ADMX實驗發言人Cray Rybka表示，“我們造了個收音機來尋找一個不知道頻率的電臺，慢慢地邊聽邊調頻。如果頻率調對了，我們就能聽到。”

　　這臺“收音機”需要造得又黑又冷，才能“聽”到軸子轉化成的光子。早在上個世紀，ADMX的初代探測器就已建成，但無法擺脫來自熱輻射和機器自身電子器件的噪音。

　　降低熱輻射干擾比較簡單：將探測器降溫至0.1開爾文（零下273.05攝氏度）左右。消除機器自身的電子器件噪音就麻煩得多。直到探測器最近用上了超導量子放大器，精度才真正達標了。

 

ADMX諧振腔 ADMX項目網 圖

　　“配置傳統半導體放大器的初代實驗，可能需要數百年的時間才能掃完軸子可能的質量區間。用上超導探測器后，我們掃完這些區間僅需數年。”ADMX實驗發言人另一發言人Gianpaolo Carosi表示。

　　開辟新的戰場

　　WIMP模型多年來一直是人類追捕暗物質最受青睞的方向。它能很好地解釋宇宙的演化和暗物質的大量存在。此外，WIMP的屬性完美吻合了一度極富吸引力的超對稱理論。

　　國際上WIMP探測器的規模不斷升級、靈敏度也不斷提高，但千米深的地底下始終未傳來佳音。2017年10月，歐洲XENON和中國PandaX在同期《物理評論快報》上發表了最新結果，依然沒有帶來決定性的證據。

　　沮喪的氣氛開始蔓延。“不是說要從WIMP模型全線撤退，但確實該轉移重心了。”費米實驗室的物理學家Dan Hooper當時評價道。

　　這次ADME探測器的全新升級，或許是軸子模型“轉正”路上濃墨重彩的一筆。

　　目前，中國的錦屏地下實驗室里有兩支暗物質探測團隊，一支來自清華大華，一支來自上海交通大學。他們鎖定的目標均為WIMP，不過在探測過程中，也能為軸子模型提出一些限制。

　　除了直接探測之外，科學家們還寄希望于間接探測暗物質。即暗物質本身雖不可見，但它們可能會像正常粒子一樣衰變或湮滅，產生可見的物質，從而留下痕跡。美國國家航空航天局的費米空間望遠鏡、國際空間站中由丁肇中領導的阿爾法磁譜儀、中國科學院的“悟空”號衛星，就在太空中追蹤暗物質湮滅的魅影。歐洲核子中心著名的大型強子對撞機（LHC）也在尋找類似的線索。

 

“悟空”號衛星

     宇宙中將近85%的物質都是暗物質。在揭曉它的廬山真面目之前，人類對宇宙的根本性認識恐怕很難再進一步。