宇宙中存在大量物质，其产生的引力效应远超我们已知的普通物质。这种被称为“暗物质”的存在，有多种天文观测证据支持，但所有直接探测实验都以失败告终。这使得一种“噩梦情景”——即暗物质可能只通过引力与其他物质相互作用——变得越来越有可能。如果这是真的，我们将永远无法在实验室中直接“触摸”到它，这给物理学带来了巨大的挑战。
我们为何相信暗物质存在？
尽管我们从未直接探测到暗物质粒子，但其存在的间接证据非常充分。这并非一个微小的计算误差，而是一个巨大的缺失。
- 星系团的观测： 碰撞星系团的图像显示，由X射线探测到的普通物质（气体）与由引力透镜效应揭示的质量中心发生了明显的分离。这表明，大部分质量并不在发光的普通物质那里。
- 宇宙的构成： 通过对宇宙微波背景辐射和早期宇宙元素丰度的分析，我们精确地知道，构成恒星、行星和我们自身的普通物质仅占宇宙总质能的 5%。
- 引力效应： 无论是星系内部恒星的旋转速度，还是星系在宇宙大尺度结构中的聚集方式，都必须引入一种额外的、看不见的物质才能用现有引力理论解释。观测表明，暗物质的总量大约是普通物质的五倍。
如果没有暗物质提供的额外引力，许多星系在剧烈的恒星形成过程中就会被自身撕裂。
探测暗物质的三种可能
从理论上讲，暗物质与宇宙中其他物质的相互作用方式不外乎三种：
- 通过除引力外的已知力（如弱相互作用力）进行互动。
- 通过一种全新的、尚未发现的力进行互动。
- 只通过引力进行互动，不参与任何其他形式的相互作用。
前两种情况为我们在实验室中直接探测到暗物质粒子留下了希望。而第三种情况，就是物理学家的“噩梦”。
“WIMP奇迹”的落空
长期以来，一个被称为“WIMP”（弱相互作用重粒子）的假说备受青睐。它假设暗物质是一种有质量的粒子，能通过弱相互作用力进行反应。
这个想法之所以吸引人，是因为理论计算表明，如果存在一种在电弱标度（与希格斯玻色子等重粒子相当）的粒子通过弱力相互作用，它在宇宙早期自然演化后留下的丰度，恰好与我们今天观测到的暗物质数量相吻合。这被称为“WIMP奇迹”。
然而，经过数十年的努力，包括 XENON 在内的世界上最灵敏的直接探测实验，都没有发现任何符合 WIMP 特征的信号。
“我们现在被迫在一座‘干草山’里寻找一根针，而且我们甚至不确定那里面到底有没有针。”
实验的灵敏度已经达到了一个极限，即来自太阳和宇宙射线的中微子已经成为主要的背景“噪音”，这使得探测变得更加困难。
噩梦情景：“WIMPzilla”
既然简单的 WIMP 假说未能成功，科学家们不得不更严肃地考虑那种最令人不安的可能性：暗物质只通过引力相互作用。
在 1990 年代末期，一个名为 “WIMPzilla” 的理论被提出。它描述了一种在宇宙大爆炸刚结束时，由时空本身的剧变（如宇宙暴胀结束时）产生的超重粒子。
- 非热产生： 与 WIMP 不同，WIMPzilla 不需要与其他粒子达到热平衡状态。它们是在一种非平衡过程中被“甩”出来的。
- 仅需引力： 这种产生机制只依赖于引力，完全不需要任何新的相互作用力。
- 无法探测： 如果 WIMPzilla 是正确的，那么暗物质粒子与普通物质的相互作用截面就是零。这意味着，无论我们的探测器造得多么灵敏，它也永远无法通过粒子碰撞的方式探测到暗物质。
拥抱噩梦，继续前行
如果暗物质真的只通过引力相互作用，这将是对实验物理学的巨大打击。这意味着我们可能永远无法直接验证暗物质的粒子性质。
但科学的进步从未停止。即便如此，我们仍在：
- 改进探测技术： 不断提升实验的灵敏度，排除更多的可能性，并寻找任何可能存在的微弱信号。
- 多角度探索： 继续通过天文观测寻找暗物质湮灭或衰变的间接信号，尽管目前证据更倾向于脉冲星或黑洞等天体物理学解释。
- 正视现实： 理论物理学家必须严肃对待这种“噩梦情景”，并思考在这种情况下，我们还能用什么巧妙的方法来揭示自然的最终秘密。
最终，即使我们永远找不到暗物质粒子，探索的过程本身也在加深我们对宇宙运行方式的理解。我们必须面对这种可能性，并想办法绕过它，才能取得进一步的进展。