编者按：以下文章经The Conversation许可转载，The Conversation 是一家报道最新研究的在线出版物。
宇宙中只有约 5% 由质子和电子等普通物质组成，其余部分充满了被称为 暗物质 和 暗能量 的神秘物质。到目前为止，尽管科学家们花费了数十年的时间寻找它们，但仍未能探测到这些难以捉摸的物质。但现在，两项新的研究可能能够扭转局面，因为它们已大大缩小了搜索范围。
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暗物质在 70 多年前首次被提出，以解释为什么星系团中的引力比预期的要强得多。如果星系团仅包含我们观察到的恒星和气体，它们的引力应该弱得多，这导致科学家们假设那里隐藏着某种我们看不到的物质。这种暗物质将为这些大型结构提供额外的质量，增加它们的引力。该物质的主要竞争者是一种被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）的假想粒子。
为了探测暗物质的性质，物理学家寻找其引力之外的相互作用的证据。如果 WIMP 假设是正确的，则可以通过暗物质粒子在地球上的原子核或电子上的散射来探测到它们。在这样的“直接”探测实验中，WIMP 碰撞将导致这些带电粒子反冲，产生我们可以观察到的光。
目前运行的主要直接探测实验之一是 XENON100，它刚刚 报告了其最新结果。该探测器位于地下深处，以减少来自 宇宙射线的干扰，位于意大利的 Gran Sasso 实验室。它由一个 165 公斤的液氙容器组成，该液氙经过高度纯化以最大程度地减少污染。探测器材料被光电倍增管（PMT）阵列包围，以捕获来自潜在 WIMP 相互作用的光。
新的 XENON100 报告没有发现 WIMP 从电子散射的证据。尽管这是一个负面结果，但它排除了许多所谓的 “亲轻子”模型，这些模型预测暗物质和电子之间会发生频繁的相互作用。
但 XENON100 分析最重要的结果是关于意大利 DAMA/LIBRA 实验 的研究人员提出的有争议的暗物质探测主张，该主张与来自许多其他探测器（如 低温暗物质搜索）的结果相冲突。“亲轻子”暗物质被认为是对此差异的一种可行的 解释，因为来自其他实验的排除不直接适用。然而，来自 XENON100 的新结果坚决排除了这种可能性。
追逐变色龙
同时，暗能量解释了我们观察到的宇宙正在 加速膨胀。与普通物质不同，暗能量具有负压，这使得引力具有排斥性，从而将星系推开。最有希望的暗能量候选者之一是所谓的“变色龙场”。
在许多暗能量模型中，我们期望看到在实验室和宇宙学尺度上的显着影响。然而，变色龙场的吸引人之处在于其影响取决于环境。在小尺度上，例如在地球上，物质密度很高，场被有效地“屏蔽”掉，使得变色龙能够逃避我们的探测器。然而，在太空真空中，物质密度很小，场可以驱动宇宙加速。
原子干涉仪的真空室。
Holger Muller 照片
到目前为止，实验仅使用了相对较大的探测器，由于物质密度过高而未能观察到变色龙。然而，最近有人提出，可以在微观尺度上运行的“原子干涉仪”可以用来搜索变色龙。这包括一个包含单个原子的超高真空室，并模拟空旷空间的低密度条件，从而减少屏蔽。
在第二份报告中，研究人员首次实现了这一想法。他们的实验通过将铯原子滴落在铝球上方进行。研究人员使用灵敏的激光，然后可以测量原子在自由落体时所受的力。结果与仅有引力而没有变色龙引起的力完全一致。这意味着，如果变色龙存在，它们的相互作用一定比我们之前认为的要弱——与之前的研究相比，将对这些粒子的搜索范围缩小了一千倍。该团队希望他们的创新技术将帮助他们在未来的实验中找到变色龙或其他暗能量粒子。
这两项研究都证明了实验室实验如何回答关于宇宙本质的基本问题。但最重要的是，它们带来了希望，我们终有一天会追踪到这些诱人的物质，这些物质构成了我们宇宙惊人的 95%。
Ryan Wilkinson 接受科学与技术设施委员会的资助。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。