DARK宗物与大多数天文学家一样有切的星星和行星。我们经常在地图上画出来。我们认为星系与黑色物质的肿块与发光材料的肿块。我们了解宇宙结构的形成，以及暗物质的整体宇宙的演变。然而，复杂的搜索十年来未能直接检测到材料。我们看到它施放的影子，但完全没有意识到宇宙的黑暗面可能包含的内容。
它肯定不是任何普通的对象或粒子 - 从被排除出来。理论偏见有利于一种新颖的颗粒，其仅与普通物质脱模效果。大量这些颗粒应该一直流经我们的星球，并且按照权利将期望其中一些人留下标记。物理学家们已经种植了晶体，填充了低温VATS，将其深埋地下筛选出筛选碾磨粉碎的颗粒，并观察了微小的热量和闪烁的光线，即将背叛从未见过的东西。到目前为止的结果不鼓励。南达科他州领先，Lux实验在一个废弃的金矿中运营一英里地下。它没有任何东西。在中国，金坪地下实验室的PANDAX实验在2.4公里的岩石下运行在隧道中。它没有任何东西。在法国阿尔卑斯阿尔卑斯山附近的一条公路隧道中，Edelweiss实验，深度1.7公里，没有任何东西。 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。面对数据的枯竭，理论物理学家猜测了更多的奇异粒子，但这些候选粒子中的绝大多数将更难探测。相反，我们可以希望在粒子加速器中产生暗物质粒子，这样我们就可以通过检查粒子碰撞中能量是否消失来推断它们的存在。但大型强子对撞机(Large Hadron Collider)已经进行了精确的试验，到目前为止还没有发现什么。一些理论家怀疑暗物质不存在，而我们的引力理论——爱因斯坦的广义相对论——把我们引入了歧途。广义相对论告诉我们，如果星系没有被看不见的物质联系在一起，它们就会飞离，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的观测测试，而且所有与之竞争的理论似乎都有致命的缺陷。
85%的物质是未知的。我们最大的恐惧是它将永远如此。
一个尽管大多数实验都有不足之处，但有两个实验确实宣称发现了暗物质。由于不同的原因，这两种说法都备受争议。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片中发现暗物质的困难。
在Gran Sasso实验室的DAMA / LIBRA粒子探测器安装在意大利北部的一座山下的隧道1.4公里，寻找由碘化钠晶体中的原子核散射的暗质粒子引起的闪光。它一直在收集数据超过13年，并且已经看到了一个非常奇特的事情。粒子检测蜡和季节与季节的速度，6月最多，12月最低限度。
这正是你对暗物质的期望。暗物质被认为是形成一个巨大的云，包围银河系的银河系。我们作为一个单位的太阳系正在通过这一云。但由于他们在阳光下的轨道运动，各个行星以不同的速度移动云。地球的速度相对于六月的推定云峰和12月的底部。这将确定暗物颗粒通过基于地球的探测器流动的速率。
我们看到它投下的阴影，却不知道宇宙的黑暗面可能包含什么。
不可否认，DAMA检测到这样的季节性调制具有非常高的统计意义。但许多其他粒子来源也随季节而变化，如地下水流动(影响放射性本底水平)和大气中其他粒子的产生，如μ子。在最近的统计中，世界上其他五个实验宣称的极限与DAMA的说法不一致。但唯一确定的方法是在一个或多个不同的地点用相同类型的探测器复制这个实验，现在有几个这样的实验正在进行中。一个是在南极，当地的季节性影响是不一致的，与意大利的情况非常不同。
关于暗物质的第二个有趣的线索来自间接实验，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(反物质/物质探测和轻核天体物理学有效载荷)的意大利-俄罗斯卫星观测到从太空深处发射的正电子(反物质版的电子)数量之多出乎意料。最近，国际空间站上的阿尔法磁谱仪证实了这一观测结果。与此同时，费米卫星报告了伽马射线的漫射，从我们的星系中心延伸到大约20度。它的形状正符合暗物质的预期:围绕银河系中心的球对称，强度向中心上升。
这简直好得令人难以置信。不幸的是，正电子和伽玛射线的观测结果都可以用被称为毫秒脉冲星的快速旋转中子星来解释。正电子与可能存在的暗物质不匹配。为了解决这个问题，我们需要检查正电子是否倾向于来自已知中子星的方向。伽玛射线的波动已经倾向于选择银河系中心附近的许多弱且未解决的脉冲星源。此外，如果伽马射线来自暗物质，天文学家应该能从附近的小型矮星系中探测到类似的信号，这些矮星系的暗物质数量比我们的星系要多。目前还没有探测到这种信号。
米我们大部分的研究工作都集中在最简单的候选粒子上，即大质量弱相互作用粒子(wimp)。“弱”这个词是一个双关语:相互作用是微弱的，它是通过所谓的弱核力发生的。这种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。在大爆炸的原始热汤中，粒子自然地产生和毁灭。随着宇宙的膨胀，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。粒子仍然可以以一种取决于它们相互作用强度的速度被破坏，直到它们扩散得太分散而无法相互碰撞为止。
考虑到大质量弱相互作用粒子应该具有的相互作用强度，你可以进行计算，你会发现早期宇宙的坩埚应该创造了观测到的暗物质数量。由此产生的粒子应该有数百个质子的质量。总而言之，粒子暗物质有一个天然的最佳点，被称为“WIMP奇迹”。
但也许这是一个丑陋的事实的美丽假设的案例。物理学家正越来越绝望，探索他们曾经考虑过遥远的第二次最佳可能性的选择。
我们正处于科学家梦寐以求的境地。旧的想法行不通;我们需要新的。
也许暗物质粒子的质量非常大。不过，这里有一个基本的权衡。粒子质量越大，天文学家观测到的总质量所需的粒子数量就越少，而且粒子数量可能太少，以至于我们的探测器无法探测到它们。物理学家将需要找到一些完全替代的搜索策略，可能包括这些粒子可能对旧中子星或其他天体的影响。
反过来说，暗物质粒子可能太轻，在我们的探测器上留下太多痕迹。为了寻找它，物理学家可能会利用自然界已经提供给我们的探测器:太阳。当太阳穿过银河的暗物质云时，它可能会扫走粒子。这些粒子可以驱散太阳中的质子，改变太阳的温度分布。这将影响太阳上层上升、下降和旋转的气体漩涡的湍流运动。我们应该能够通过日地震学来了解这一点。日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，存在无法解释的日震异常，这很难与我们的太阳标准模型相一致。
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，位于日本中部的超级神冈探测器和南极的冰立方天文台都能观测到。到目前为止，还没有关于候选人活动的报道。
超轻粒子最极端的例子是轴子，一种假设的弱相互作用粒子，其质量仅为质子的万亿分之一或更少。它不会是完全黑暗的，但会与电磁相互作用，并可能在强磁场腔内产生微波光子。自20世纪80年代以来，一直在进行旨在探测轴子的实验，但收效甚微，不如WIMP探测器。
也许暗粒子甚至不是粒子，而是一位理论学家所称的“非粒子”。非粒子是电磁场的远亲，它的能量不是离散的集合。它们可能会在对撞机数据中留下间接痕迹。也许暗物质的特性没有单一的解决方案。毕竟，普通物质也是由许多种粒子组成的。暗物质也可能有几个贡献者，稀释了任何特定候选粒子的假定特征，使搜索变得更加困难。也许暗物质根本没有相互作用，除了引力作用。这将使实验主义者的生活更像一场噩梦。
我从某种意义上说，我们正处于每位科学家都梦寐以求的境地。旧的想法行不通;我们需要新的。这些可能来自于探索新的粒子类型，或者我们可能会发现一个完全一致的新的引力理论，完全不需要暗物质。
唠叨的忧虑是，自然将新物理放在我们找不到它的地方。虽然我们没有完全耗尽寻找WIMPS的搜索，但实验只能做得更多。当它们对暗物质变得更敏感时，它们对垃圾粒子也变得更加敏感，并且它们不能总是在两者之间区分。在目前的改善速度，在十年之下，他们将被太阳或宇宙射线与地球大气碰撞的宇宙光线蒙蔽。
在这一点上，我们仍然可以采用间接的检测手段。切伦科夫望远镜阵列(Cherenkov Telescope Array)是最有希望的项目之一，它是由智利和拉帕尔马(La Palma)上的100多台望远镜组成的，其目标之一是寻找银河系和其他星系中暗物质粒子湮灭所产生的伽马射线。但这种搜索策略最终会遇到另一个问题:成本。现在,暗物质探测器是最经济的主要物理实验之一,但如果我们需要继续增加他们的大小,灵敏度,和成熟,他们的价格标签可能对手巨头如大型强子对撞机(近70亿美元)和詹姆斯·韦伯太空望远镜(约80亿美元),没有成功的保证——这对政治家来说是很难说服的。
发现暗物质粒子最有力的工具将是一种新的粒子对撞机。快进到大约30年后，物理学家计划建造一个功率是LHC 7倍的对撞机。中国和欧洲都在进行研究。从大型强子对撞机的规模粗略地扩大，将花费今天的250亿美元。在国家之间分享，并在几十年里传播，这可能是可行的。但这可能是极限。即使物理学家拥有无限的资源，建造任何更大的东西也不会带来任何好处。在那个时候，任何未知粒子的质量都是如此之大，以至于如果这种粒子的产生方式与较轻的同类粒子相同，大爆炸就不会产生足够数量的粒子。
尽管作出了这些巨大的努力，我们可能没有发现任何信号。这将是一个令人沮丧的前景。也许根本就没有暗物质。我们一直在寻找广义相对论的偏差。到目前为止，我们还没有找到。相反，2016年通过引力波探测到的黑洞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。大自然的阴暗面可能有巨大的奥秘和启示，除非我们去探索，否则我们永远无法窥见。现在，我们继续寻找粒子。除了继续前进，我们别无他法。
约瑟夫·西尔克(Joseph Silk)是牛津大学的宇宙学家，还在巴黎天体物理研究所和约翰·霍普金斯大学任职。他是研究宇宙微波背景辐射和宇宙结构形成的先驱。
这篇文章最初发表于鹦鹉螺的宇宙2017年2月。
