暗物质或许会与地球上的矿物发生相互作用，留下线索以待物理学家研究。地球上二十多个地下实验室的科学家们正在努力寻找暗物质存在的证据。虽然实验过程越来越复杂，搜索也越来越精确，然而，除了意大利实验室发出备受争议的信息外，还没有人找到神秘物质存在的直接证据。暗物质物质被认为占据了宇宙物质的84%。一项新的研究表明，我们应该进行更深入的研究。暗物质不同于普通的重子物质，除了通过引力(或许还有微弱的核力)它不会与任何物质相互作用。也无法看见它，但物理学家们几乎可以肯定暗物质存在于塑造星系和它们的宇宙路径中。
博科园-科学科普：几十年来，暗物质粒子的理想候选者一直是弱相互作用大质量粒子(WIMPs)。许多实验都是通过寻找弱相互作用大质量粒子出现并撞击普通物质的证据来证明弱相互作用大质量粒子存在。在这种情况下，弱相互作用粒子会通过弱作用力撞击原子核，受撞击的原子核会反冲并释放出某种形式的能量，如闪光或声波。探测这种几乎觉察不到的现象需要埋在地底深处非常灵敏的仪器。由于宇宙射线也会导致原子核反冲，将仪器埋藏在地底深处可以屏蔽宇宙射线带来的影响。
类似于橄榄石的矿物可以保留很久以前原子核和暗物质发生碰撞的痕迹。图片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
在搜寻微弱脉冲信号几十年后，科学家们几乎没有确凿的证据来证明这一点。现在，波兰、瑞典和美国的一组物理学家有了另一个想法。科学家们认为，不要只将关注点集中在地壳下探测器中的锗、氙和闪烁体，也要关注地壳本身。在保留着太阳系过去的岩石记录中，可能会发现撞击原子核的反冲化石，以及一个弱相互作用大质量粒子的冰冻印记。密歇根大学(University of Michigan)理论物理学家凯瑟琳·弗雷斯(KatherineFreese)说：我们一直在寻找替代方法。根据弗里斯和同事们的说法，地下古生物探测器的工作原理与目前的直接探测方法类似。
凯瑟琳·弗里斯为暗物质探测器贡献了许多想法，其中一些想法已经变成了现实。图片：John Smockfor Quanta Magazine
为了实时观察弱相互作用大质量粒子的反冲过程，科学家们在实验室中装备了大量的液体或金属，用于寻找弱相互作用大质量粒子撞击原子核的化石痕迹。当原子核反冲时，它们会在某些矿物中留下损伤痕迹。如果原子核以足够的能量反冲，被扰动的原子被深埋在地下(以保护样本不受可能使数据变得混乱的宇宙射线的影响)，那么反冲轨迹就可以被保留下来。如果事实如此，研究人员也许能够挖出岩石，剥离时间层，并利用原子力显微镜等先进的纳米成像技术探索很久以前的事情。最终的结果将是一个化石轨迹：暗物质将类似于发现蜥脚类动物逃离捕食者时的足迹。
1、微弱的讯息
大约五年前，弗里斯开始和安杰伊·德鲁科尔（Andrzej Drukier）讨论新探测器的类型。安杰伊·德吕基耶是斯德哥尔摩大学的物理学家，他的职业生涯从研究暗物质探测开始，之后转向生物物理学领域。他们与生物学家乔治·丘奇(George Church)共同提出了基于DNA和酶反应的暗物质探测器的想法。2015年德鲁科尔前往俄罗斯新西伯利亚，研究一种藏在地球表面下的生物探测器原型。俄罗斯冷战期间的挖掘的深井让德鲁科尔十分感兴趣。这些井深达12公里，宇宙射线都无法穿行那么远。典型的暗物质探测器相对较大，对突发事件高度敏感。搜索工作持续了多年，大多数情况下，他们在寻找实时的弱相互作用大质量粒子讯息。
地球绕着太阳转，而太阳绕着银河系转，地球相对于暗物质弥漫星系的速度变化，应该会导致DAMA实验检测到的暗物质数量的变化。图片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
虽然矿物相对较小，对弱相互作用大质量粒子的相互作用不那么敏感，但它可能成为一项持续数亿年研究的典范。德鲁科尔说：从极深的地核中取出的大块岩石实际上有十亿年的历史，越往深处探寻，岩石就越古老，所以你或许不需要建造一个探测器，因为地面上有一个探测器。地球充满了放射性铀，当它衰变时会产生中子，中子也可以撞击原子核。弗雷斯说，研究小组最初描述古探测器的论文没有考虑到铀衰变产生的噪音，但其他感兴趣的科学家发表了大量评论，让他们回去修改。研究小组花了两个月的时间研究了数千种矿物，以了解哪些矿物是从铀衰变中分离出来。
石盐通常被称为岩盐，是一种超基性岩石，可能被用作暗物质探测器。图片：Géry Parent
这些科学家认为，最好的古生物探测器应该由海洋蒸发岩(基本上是岩盐)或含有少量二氧化硅的岩石(即超基性岩石)组成。此外还寻找了含有大量氢的矿物，因为氢能有效地阻止铀衰变产生的中子。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的理论物理学家特雷西·斯拉特耶(Tracy Slatyer)说：寻找化石反冲可能是寻找弱相互作用大质量粒子的好方法。这就好像在寻找一个似乎没有原因跳跃的原子核，它必须跳跃一定的距离，才能看到它。如果我把一个乒乓球扔向保龄球，会看到乒乓球的跳跃过程，不会看到保龄球的运动过程，但实际上通过一些方法或许能观看到保龄球的运动过程。
2、最困难的实验
研究所涉及的实地工作并不容易，实验必须在地下深处进行，在那里核心样本将受到宇宙和太阳辐射的保护。这同时需要最先进的纳米成像技术来解决原子核移动的问题。斯拉特耶说：即使大质量弱相互作用粒子确实留下了可观察到的线索，古生物探测器的主要关注点将是确保化石轨迹真的来自于暗物质粒子。研究人员将不得不花大量时间证明反冲不是受中子、太阳中微子或其他物质影响产生。或许可以进入到相当深的地方去躲避宇宙射线，但这并不可控。这不是实验室，你可能不太了解岩石矿床的历史。即使声称是它发出了信号，但你也需要进行更多工作才能确信没有被某种因素蒙蔽。德鲁科尔和弗雷斯都表示，古探测器的优势在于数量。
一位技术人员在DAMA实验的探测器上工作，该实验使用250公斤的碘化钠来寻找暗物质。图片：DAMA-LIBRA Collaboration/LNGS-INFN
岩石中含有大量矿物质，每一种矿物质的原子核都以不同方式从掠夺的弱互相影响大量粒子中反弹。因此不同元素将充当不同的探测器，所有这些探测器都包裹在一个核心样本中。弗雷斯说：这将允许实验人员观察反冲光谱，检验结果，并有可能得出关于弱相互作用大质量粒子的结论。在未来，一台古生物探测器甚至可以提供一段时间内的弱相互作用大质量粒子记录，就像化石记录可以让古生物学家重建地球上生命历史一样。对斯拉特耶来说，这一长时间的记录可以提供一个独特银河系暗物质晕的探测器。暗物质晕是一种由不可见物质组成的云，在太阳系围绕银河系中心运行2.5亿年的过程中，地球会穿过它。
图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
了解银河系暗物质晕如何分布可以帮助我们了解它的物理行为，甚至可以证明暗物质是否以超越引力的方式与自身相互作用。这一理论模型仍然处于非常活跃的发展阶段。然而，这离现实还很遥远。德鲁科尔和弗雷斯表示，古探测器首先必须证明它能够找到已知粒子(如太阳中微子)留下的反冲轨迹，然后证明它们能从普通的反冲中分离出弱互相影响大量粒子轨迹。这是一个重大的角度变化，我们能找到暗物质吗？我花了35年寻找它，这可能是世界上最困难的实验之一，我们或许会不走运，但这的确很酷。
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《天文与天体物理学报》,《arxiv》
文: Rebecca Boyle/Quanta magazine/Quanta Newsletter
DOI:10.1051/0004-6361/201833355
Cite: arXiv:1806.05991
Cite:arXiv:1403.8154
博科园-传递宇宙科学之美
