就在来自世界各地的科学家和政治家们于 12 月份辩论如何应对一个具有深远意义的实际问题——全球气候变化——之时,另一组国际物理学家正屏息以待一个更为深奥的进展。在这两种情况下,活动结束后,参与者都感到渴望而又无法满足。
位于明尼苏达州苏丹矿井深处的低温暗物质搜索(CDMS)实验旨在直接探测可能构成已知主导我们星系的暗物质的新基本粒子。12 月初,有传言开始流传,称 CDMS 实验可能确实看到了信号。
要理解此类事件的重要性,就需要认识到,科学家们在过去 40 年里建立了一座宏伟的理论纸牌屋,它可能会因最轻微的不一致数据而倒塌。在 20 世纪 70 年代,来自我们星系自转观测的证据开始积累,表明那里可能存在 10 倍于可见物质的不可见物质。尽管起初对这种物质的世俗解释——从雪球到行星再到冷气体——似乎是可能的,但逐渐地,很明显,这些都无法满足要求。与此同时,关于大爆炸后最初几分钟内预期产生的光元素的丰度的独立计算表明,如果预测要与观测结果一致,那么宇宙根本缺乏足够的质子和中子来解释这种暗物质。
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同样,关于宇宙膨胀时星系形成的独立计算机计算表明,只有某种新的物质(不与正常物质发生相互作用)才能尽早坍缩,从而形成我们看到的结构。
过去 50 年的粒子物理学也促使我们认识到,为了使我们所看到的一切有意义,很可能存在大量新的基本粒子。如果是这样,理论家们已经确定,炽热大爆炸的最早时刻可能已经产生了这些粒子,其丰度恰好可以解释暗物质,并且它们与正常物质的相互作用将足够弱,以至于今天的望远镜无法探测到它们。
受到银河系晕中的这种新暗物质粒子可能是可以直接探测到的暗示的鼓舞,一群勇敢的实验学家开始设计技术,以便在远离大多数宇宙射线的地下深处用探测器观察它们,宇宙射线会压倒如此灵敏的传感器。
当我们 25 年前首次提出这些实验时,我曾期望在十年内我们会得到答案。但是,最前沿的技术需要时间来构建和开发,而且大自然很少愿意透露其秘密。
因此,经过一代人的期待,当物理学界听到有关 CDMS 实验探测到某些东西的传言时,我们就像在观看披头士乐队重聚演唱会一样收听了在线公告。如果您像我一样是一名理论家,那么想象大自然实际上可能会遵守您在深夜在废纸上或在电脑屏幕前开发的精细理论和异想天开的想法,这是一种不真实的感觉。
然而,实际的公告令人失望:在将近一年的时间里,只探测到两个脉冲,它们可能是由暗物质引起的。不幸的是,事件是由背景放射性引起的可能性也约为 25%。
我承认当时感到失望,但几个月后,更容易重拾视角。一年之内,更大的探测器将启动,它们可能仍会证实目前的暗示是真实信号。此外,如果碰撞能在欧洲核子研究中心的强子对撞机中产生假想粒子,那么这些粒子也可能被探测到。
如果这些实验成功,结果不会产生更好的烤面包机,也不会解决气候变化问题。但这将为人类想象力的力量提供非凡的证明,再加上严谨的逻辑和技术诀窍,揭示甚至在半个世纪前都无法想象的隐藏世界。如果不是这样,我们都将不得不更加努力地解决暗物质之谜。新的挑战带来新的灵感,这也不是一件坏事。