暗物质在哪里？数十年来一直在寻找构成宇宙大部分质量的物质的科学家们开始担心他们找错了地方。在今年夏天对被认为构成暗物质的粒子进行的迄今为止最敏感的搜索结果再次为零之后，粒子的质量和其他特性的理论范围仍然有限。现在，物理学家提出了两种新方法来搜寻这个剩余的狭窄区域，该区域到目前为止尚未被实验触及。
宇宙的大部分质量是暗物质，大约占80％。尽管我们看不到也摸不到它，但科学家知道它的引力会扭曲遥远物体的图像并将星系结合在一起。自1980年代以来，埋藏在山脉和矿山深处的实验一直在耐心地等待暗物质粒子通过。欧洲大型强子对撞机（LHC）将其他粒子碰撞在一起，希望在此过程中产生一些暗物质。但是到目前为止，这种难以捉摸的物质既没有在大型强子对撞机中出现，也没有在南达科他州的地下氙气（LUX）实验中出现。研究人员现在面临越来越多的暗示，即现有实验可能正在瞄准错误的粒子类型，而找到暗物质将需要新的技术。
迄今为止的暗物质搜索主要集中在寻找“弱相互作用大质量粒子”（WIMP），这是一种理论上的粒子，其重量在1吉电子伏（GeV）和1太电子伏（TeV）之间，或者在质子质量的1到1,000倍之间。许多物理学家长期以来一直认为它们是最有希望的暗物质候选者，因为理论上认为，WIMP应该为宇宙贡献大约与天文学家测量的暗物质数量相同的质量，但是到目前为止，这些粒子尚未出现。这些实验倾向于搜索WIMP撞击某些探测材料中原子的罕见情况；在LUX的情况下，该材料是液态氙，但其他实验使用了固态锗或其他物质。
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在多次未能找到它们的情况下，“WIMP范式正受到围攻”，这限制了它们仍然可以隐藏的地方的数量，加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的凯瑟琳·祖雷克说。祖雷克领导了两项最近的研究，提出了寻找比WIMP更轻的粒子形式的暗物质的新方法，例如所谓的非对称暗物质。这样的粒子可能会通过某种尚未发现的暗力与我们已知的正常粒子相互作用。祖雷克说：“这个想法是，你可以拥有这个隐藏的区域，其中暗物质真的很轻……并且可以与[常规]粒子进行单独的粒子相互作用。” “这不是人们直到不到十年前才真正考虑的范式。”
祖雷克的团队的第一种方法没有使用传统的暗物质探测器材料，而是使用了超导铝，这是一种电子可以自由移动而没有任何电阻的物质。在超导体中，电子与所谓的“库珀对”中的伙伴电子结合在一起。来自入射暗物质粒子的能量可能会破坏其中一对，并将振动传递到超导体中，称为过渡边缘传感器（TES）的超灵敏热探测器会读取这些振动。研究人员于今年1月在《物理评论快报》上发表了这种方法。
第二种方法，上个月发表在《物理评论快报》上的，使用了超流体氦，这是一种超冷氦原子的零粘度液体，它们可以相互移动而没有任何阻力。入射的暗物质粒子可能会与氦核相互作用，从而引起连锁反应，将一组声子，量子声波发送到TES。与现有实验相比，这两种方法都需要暗物质对探测材料的撞击轻得多才能产生信号，因此可以发现质量低至1 keV（质子质量的百万分之一）的粒子。传统实验仅对轻至 10 MeV 的粒子敏感，这比 keV 重一万倍。
当前一代的暗物质实验正在升级；LUX正在成为LUX-ZEPLIN（液态惰性气体中的区域比例闪烁）或LZ实验，意大利的XENON100正在成为XENON1T，而明尼苏达州的超低温暗物质搜索（SuperCDMS）将移至新的加拿大地点。但是，即使是改进后的版本，最多也只能探测到约10 MeV。如果他们找不到任何东西，科学家可能会考虑诸如祖雷克的提议来探测甚至更轻的潜在粒子质量。但是，此类实验将需要研究和开发，以了解超导铝或超流体氦探测器实际是什么样子，以及它们应该在哪里建造这种探测器。“这些实验在技术上具有挑战性，但不是很昂贵，”祖雷克说。
伊利诺伊州费米国家加速器实验室的科学家兼SuperCDMS发言人丹·鲍尔说：“[这项研究]是该领域的发展方向，部分原因是我们尚未找到标准的WIMP。”尽管科学家仍然抱着希望会出现更高质量的WIMP，但“我们意识到，我们一直在特定的灯柱下寻找。对于较轻的暗物质粒子，还有很多可用的领域。”
随着实验人员建造可以发现更轻粒子的探测器，理论物理学家可能会提出更多关于可以在那里找到的暗物质候选粒子类型的想法。“理论家非常有创造力，”加州大学伯克利分校的物理学家鲍勃·雅各布森说，他研究LUX和LZ。“如果存在尚未探索的[质量]区域，理论家会说他们是否可以做一些在数学上一致的事情。如果他们发布了它，我们的工作就是排除它。”
普林斯顿大学物理学家克里斯·塔利说，超导和超流体探测器的概念验证最终将需要物理学家在当前搜索与研究和开发之间分配时间。“你必须在运行实验的同时并行构建这些技术，”他说。他希望在5到10年内开始看到模型，具体取决于资金（尽管祖雷克本人认为这会接近10年）。尽管塔利从事实验，普林斯顿轻元素早期宇宙大规模中微子产量氚天文台（PTOLEMY）和 SuperCDMS 已经开发了TES，科学家必须进一步测试未来的探测器，以确保它们可以从在探测器中引起类似信号的污染辐射中挑选出暗物质粒子。当前的实验位于地下深处或山脉中，以防止宇宙射线，来自太空的高能粒子产生可能掩盖暗物质的信号。祖雷克说，超流体或超导体实验则需要屏蔽杂散电磁波，例如来自手机的电磁波。鲍尔说，SuperCDMS的萨德伯里中微子天文台实验室现在正在建造这种屏蔽。最终，“我们知道的太少了，”雅各布森说。“我们正在犯罪现场寻找第一条线索。如果你没有第一条线索，你就不知道该往哪里看。”