即使经过数十年的搜索，科学家们仍然没有观察到暗物质粒子。 存在这种物质的证据几乎是无可辩驳的，但仍然没有人知道它是由什么构成的。 几十年来，物理学家们一直希望暗物质是重质量的——由所谓的弱相互作用大质量粒子（WIMP）组成，这些粒子可以很容易地在实验室中检测到。
然而，由于多年来的仔细搜索没有明确的 WIMP 迹象出现，物理学家们一直在扩大他们的探索范围。 随着新的、更精确的实验加速数据收集，研究人员正在重新评估关于质量小于质子的暗物质粒子如何在探测器中出现的理论。 今年早些时候发布在预印本服务器 arXiv.org 上的两篇论文是这些转变的代表。 它们是首次提出探测器可以发现等离子体激元（电子在材料中一起移动的集合体），而这些等离子体激元是由暗物质产生的。
第一项研究是由费米国家加速器实验室（Fermilab）（位于伊利诺伊州巴达维亚）、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和芝加哥大学的一组暗物质研究人员进行的。 他们提出，低质量暗物质可能会产生等离子体激元——他们声称一些探测器可能已经在观察到。 受第一篇论文的启发，加州大学圣地亚哥分校的物理学家童颜林和乔纳森·科扎祖克 计算出低质量暗物质在探测器中产生等离子体激元的可能性。
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“我们正在尖叫，‘等离子体激元，等离子体激元，等离子体激元！’，因为这是一个引人注目的、现有的现象，我们认为它可能与解释暗物质实验有关，”费米实验室和芝加哥大学卡弗里宇宙物理研究所的暗物质理论家、第一项研究的合著者戈尔丹·克尼亚伊奇说。 粒子物理学家和天体物理学家已经推测如何探测低质量暗物质近十年了。 但他们以前没有考虑过寻找等离子体激元（化学家和材料科学家更熟悉）作为其特征。
耶路撒冷希伯来大学的理论物理学家约尼特·霍赫伯格说：“我认为这很棒”，她向克尼亚伊奇的团队提供了反馈，但没有直接参与任何一篇论文。 “我认为，可能产生影响但尚未被考虑到的[等离子体激元]这一事实，是非常重要的一点，确实值得进一步研究。”
其他研究人员对第一篇论文持更加怀疑的态度。 加州理工学院的暗物质理论家凯瑟琳·祖雷克说，这项研究“根本无法说服我”，她没有参与任何一篇论文。 “我只是不明白这是如何奏效的。”
第一篇论文的合著者、费米实验室和卡弗里宇宙物理研究所的暗物质实验学家诺亚·库林斯基对物理学家的批评处之泰然。 “我们向他们发起了挑战，要求他们证明我们是错的，我认为这对这个领域来说是非常健康的。 而这正是他们应该努力做的事情，”他说。
走到一起
寻找一种看不见的、几乎没有痕迹的物质通常是这样的：为了探测暗物质粒子，物理学家们会获得一种材料，将其放置在地下深处，连接到仪器上，并希望看到信号。 具体来说，他们希望暗物质会撞击探测器，产生电子、光子甚至热量，而他们的仪器可以观察到这些。
暗物质探测背后的理论可以追溯到 1985 年的一篇论文，该论文考虑了如何将中微子探测器重新用于寻找该物质的粒子。 该研究提出，入射的暗物质粒子可能会撞击探测器中的原子核并给它一个踢力——类似于一个台球撞击另一个台球。 这种碰撞将从暗物质传递动量，猛击原子核，使其喷射出一个电子或一个光子。
在高能量下，这个图景基本上是好的。 探测器中的原子可以被认为是自由粒子，离散且彼此不连接。 然而，在较低能量下，情况会发生变化。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的暗物质理论家、第一篇论文的合著者约纳坦（约尼）·卡恩说：“你的探测器不是由自由粒子制成的。” “它们只是由物质制成的。 如果你想了解你的探测器实际上是如何工作的，你必须了解这些物质。”
在探测器内部，低质量暗物质粒子仍然会传递动量。 但它可能不会打散一排台球，而是可能导致它们摇晃。 换句话说，它的作用更像是一个乒乓球。
林说：“当我们转向更低的暗物质质量时。 其他更微妙的影响开始发挥作用。” 这些微妙的影响包括物理学家喜欢称之为“集体激发”的东西。 当几个粒子同时移动时，它们可以被描述为一个单一的实体，就像声波是由无数振动的原子组成的一样。
当一群电子经历这样的运动时，就会发生等离子体激元。 当一群原子核振动时，它们的集体激发被称为声子。 天体物理学家和研究暗物质的高能物理学家通常认为这些现象是不相关的。
但正如已故诺贝尔奖获得者物理学家菲利普·安德森曾经打趣道，“更多是不一样的”——这指的是新颖的效果会在不同的尺度上出现。 例如，一滴水所遵循的规则与单个 H2O 分子不同。 “我已经完全喝了那种酷爱饮料，”卡恩说。
两篇论文都采用了略有不同的等离子体激元产生方法。 然而，它们得出了相同的结论：我们真的应该关注这些信号。 特别是，林和科扎祖克计算出，低质量暗物质产生等离子体激元的速率约为直接产生电子或光子的速率的万分之一。 这个数字听起来可能不频繁，但对于希望精确的物理学家来说，这已经足够了。
黑暗中的一枪
直到最近，最灵敏的暗物质探测器一直使用巨型液氙容器。 然而，在过去的几年里，新一代更小的固体探测器首次亮相。 它们以 EDELWEISS III、SENSEI 和 CRESST-III 等巧妙的首字母缩写词而闻名，它们由锗、硅和白钨矿等材料制成，并且对仅产生单个电子的暗物质碰撞敏感。
但是，所有探测器，无论屏蔽得多好，都会受到来自背景辐射等来源的噪声影响。 因此，在过去一年左右的时间里，当操作几个暗物质探测器的科学家开始看到比预期更多的低能量信号时，他们对此保持了相当的沉默。
库林斯基及其同事的论文是第一个指出不同暗物质实验中看到的低能量“过量”之间惊人相似之处的论文。 几个过量似乎聚集在每公斤探测器质量 10 赫兹的值附近。 由于探测器由不同的材料制成，位于不同的地方并在不同的条件下运行，因此很难为这种不可思议的和谐提出一个普遍的原因——除了暗物质的微妙影响。 这种讨论引起了其他物理学家的关注，例如林，她迅速投入到等离子体激元计算工作中。 但即使是她也怀疑实验目前看到的结果是由暗物质产生等离子体激元造成的。 “我不是说它不可能是暗物质，”林说。 “但在我看来，到目前为止，这似乎没有说服力。”
随着来自最新一代暗物质探测器的更多数据涌入，该假设将受到检验。 但是，无论探测器目前是否正在观察到神秘物质，这可能都无关紧要。 该领域的研究人员现在正在思考和讨论等离子体激元以及低质量暗物质可能表现出的其他方式。 精密前沿的探索正在进行中。
克尼亚伊奇说：“我们有很多种可能犯错的方式。” “而且它们都很令人兴奋。”