科学家们喜欢说，阴性结果和阳性结果一样重要，但在几十年没有发现任何东西之后，研究人员感到不耐烦是可以理解的。早在 20 世纪 90 年代，实验就开始尝试探测构成暗物质的粒子，暗物质是宇宙中普遍存在但无法触及的隐形物质。从那时起，物理学家发现了越来越多的证据表明暗物质是真实存在的，但没有发现这种物质本身的任何迹象。去年年底启动的长期运行的 XENON 实验的新版本旨在最终打破这种模式。
长期以来，物理学家对暗物质身份的最佳猜测之一是，它是由称为 WIMP（弱相互作用大质量粒子）的粒子组成的。这些基本物质位元可能介于质子的质量和质子质量的 1,000 倍之间，并且它们仅通过引力和弱核力（控制放射性）与常规原子相互作用。但是多年来，随着一个又一个实验未能找到任何东西，一些热情已经消退。“你确实开始挠头思考，也许那是押错了宝，”普渡大学的物理学家拉斐尔·朗说，他已经在意大利格兰萨索国家实验室的 XENON 实验中工作了十多年。不过，朗说，就目前而言，他仍将赌注押在 WIMP 上，并指出实验已经证伪了许多预测 WIMP 可能是什么样子的理论，但肯定不是全部。“如果你在 10 年前相信 WIMP，那么只有一半的 WIMP 被排除在外，”他说。“另一半仍然存在。”
洋葱层： XENONnT 实验的结构像洋葱一样，具有多层结构，以防止可能模仿暗物质的无关粒子进入。第一层是地下格兰萨索实验室顶部的山脉，它可以阻止大部分来自太空的宇宙射线，这些宇宙射线可能会污染结果。下一层是一个大约 10 米 x 10 米的水箱，它环绕着内部结构，阻挡了大部分从实验室周围的墙壁和岩石中的放射性释放出来的粒子。水箱内是中子否决系统，它也将充满水，此处从内部显示。嵌套在内部的是一个白色的圆柱形外部低温恒温器——本质上是一个保温瓶——它包含一个内部低温恒温器。内部低温恒温器环绕着探测器本身，探测器内部充满了液态氙。
图片来源： 恩里科·萨凯蒂
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当然，还有许多其他暗物质候选者。另一个主要竞争者是轴子，一种理论上轻得多的粒子，最近演变成一个称为类轴子粒子的流动类别。一些科学家对暗物质可能是复合粒子的想法感到兴奋——“暗夸克”和“暗胶子”的聚合物，它们像常规夸克和胶子一样粘合在一起形成“暗核”。暗物质也可能根本不是粒子。仍在考虑中的一个想法是，缺失的物质是由大爆炸后不久形成的原始黑洞组成的。
最新版本的 XENON 实验 XENONnT 于去年开始收集数据。它的目标是在极少数情况下捕捉到暗粒子，即它们可能撞击到常规原子的时候。这种情况下的原子是氙——8.3 公吨，以液态形式保存在埋在一英里岩石下的巨型容器中，以屏蔽宇宙射线和其他污染。氙拥有 54 个质子和电子，甚至更多的中子，是暗物质撞击的良好、密集的目标。如果外来粒子撞击氙核，它可能会将原子核或电子击飞到液体中，产生闪光，容器顶部和底部的光电倍增管可以探测到闪光。这个最新版本的实验包含的氙是以前版本的四倍，这意味着它看到信号的可能性是以前版本的四倍。
镜像：光电倍增管排列在水箱内壁，水箱覆盖着反射箔，形成双重图像。光学仪器足够灵敏，可以探测到粒子相互作用释放的单个光子。在这种情况下，该管的设计目的是观察μ子的信号，μ子可能会作为宇宙射线渗透到实验中。略有不同的光电倍增管排列在中子否决层和最内层探测器内壁。
图片来源： 恩里科·萨凯蒂
其他升级包括改进氙的纯化和更好的系统，以检测宇宙射线以及实验及其外壳中微量的放射性元素，这些放射性元素可能会伪装成暗物质信号。“探测器上的每个螺母和螺栓都是用精心挑选的材料手工定制的，”朗说，“因为如果你只是在五金店买一个不锈钢螺栓，它的放射性对于我们的需求来说太高了。”
对于外面的世界来说，多年来没有发现成果的艰苦工作可能会让人感到失望，但物理学家对此的看法不同。“如果你以它是否探测到暗物质来评判，他们没有，但在社区眼中，这是一个非常成功的实验，”欧洲核子研究中心的理论物理学家多萝塔·格拉博夫斯卡说，她不是该项目的成员。她说，它的成功在于它排除了许多可能性以及它所达到的不断提高的灵敏度。
最终检查：一名技术人员对未注水的水箱进行最后一次清扫。XENONnT 实验将运行五年，然后达到其设计灵敏度。到那时，它要么已经发现了 WIMP，要么已经排除了桌面上仍然存在的理论 WIMP 可能性的三分之二以上。一个名为 LUX-ZEPLIN (LZ) 项目的类似实验正在南达科他州进行。这两个实验使用略有不同的设置，如果其中任何一个实验看到新粒子的信号，它们将成为彼此重要的检查。
图片来源：恩里科·萨凯蒂
现在，寻找 WIMP 的工作正处于转折点。在相对不久的将来，地下暗物质实验将搜索他们可以达到的绝大部分理论领域。如果他们没有找到 WIMP，这可能意味着它们不存在，或者可能仅仅意味着它们采取了某种设法逃脱注意的形式。但科学家们足智多谋——他们可以想到关于暗物质可能是什么的新想法，以及比他们建造探测器更快的新搜索方法。“在识别探测暗物质候选者的新方法方面，存在着许多兴奋和创造力，”加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家童艳林说。她研究的一个想法涉及使用晶体来捕捉暗粒子。以晶体形式，诸如硅之类的元素可能会以比传统探测器更低的能量记录与暗物质的相互作用，从而开辟一条新的发现途径。
尽管暗物质已被证明比一些人最初希望的更难以捉摸，但物理学家远未放弃。“很多人对科学的看法就像《星际迷航》一样，”加州大学欧文分校的理论物理学家蒂姆·泰特说。“你看到一些东西，拿出三录仪，然后得到答案。但它实际上是一个非常混乱的过程，你尝试很多事情，直到你找到有效的东西。所有无效的东西都是这个过程的重要组成部分。”