物理学又一次错过了与未来的长期预定之约。最新的、最灵敏的对构成暗物质的粒子（可能占宇宙质量 85% 的不可见物质）的搜寻一无所获。这些被称为 WIMP（弱相互作用大质量粒子）的亚原子“含羞草”可能只是比物理学家 30 多年前首次预测它们时认为的更擅长隐藏。或者，它们可能根本不存在，这意味着我们在试图理解宇宙的方式的根基中存在着可怕的错误。许多科学家仍然抱有希望，认为升级版的 WIMP 探测实验会找到它们，但其他人正在重新审视长期以来被认为不太可能的暗物质概念。
无论暗物质是什么，它都不在粒子物理学的标准模型中，这是一个在 20 世纪 70 年代锻造的、经过彻底检验的“几乎所有事物的理论”，它解释了所有已知的粒子和除引力之外的所有已知力。找到暗物质的身份，你就能照亮通往更深入理解宇宙的新路径——至少，物理学家们希望如此。
WIMP 的引力质量来自于其质量大约是质子的 1 到 1000 倍。它们与我们熟悉的世界的唯一剩余联系将是通过弱核力，这种力比引力更强，但只在原子核尺度上的微小距离内起作用。如果它们存在，WIMP 应该像看不见的雾一样包围着我们，它们与普通物质相互作用的可能性非常小，以至于它们可以毫发无损地穿过数光年的元素铅。
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实验主义者们毫不气馁，花费了数十年的时间设计和操作了足够多巧妙命名的 WIMP 探测器，足以装满你家里的字母汤罐头。（CDEX、CDMS、CoGeNT、COUPP 和 CRESST 只是以字母 C 开头的最著名的例子。）探测 WIMP 与原子之间任何微弱、罕见和短暂相互作用的精细工作需要隔离和隐蔽，这使得大多数探测器被限制在洞穴、废弃的矿井和其他偏远的地下空间。
最新的 WIMP 搜寻结果之一是来自大型地下氙 (LUX) 实验的零结果，该实验在南达科他州黑山地下 1.5 公里处埋藏的一个装满水的大型水箱内，保持着三分之一吨液态氙，温度为零下 100 摄氏度。在那里，屏蔽了大多数污染噪声源，研究人员花费了一年多的时间寻找 WIMP 撞击氙核发出的闪光。7 月 21 日，他们宣布他们没有看到任何闪光。
接下来的失望来自 8 月 5 日，来自有史以来最强大的粒子加速器：位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC)。在 2012 年发现希格斯玻色子——标准模型长期预测的赋予其他粒子质量的最终粒子——之后，许多理论家认为 LHC 的下一个重磅结果将是发现希格斯玻色子（或其他非常像它的假设粒子）如何帮助产生被认为弥漫宇宙的 WIMP。自 2015 年春季以来，LHC 一直在追求这些想法，以每秒高达十亿次的速率，以前所未有的高能量将质子撞击在一起，从而推向粒子物理学的新前沿。早期，两个独立的团队已经窥探到一个明显的异常，即亚原子残骸中，质子碰撞产生的能量过剩，这暗示了可能由 WIMP 产生的新物理学（或者，公平地说，还有许多其他奇异的可能性）。然而，随着 LHC 撞击更多质子并收集更多数据，异常现象逐渐消失，表明这只是一个统计上的偶然事件。
总而言之，这两个零结果对于暗物质来说是一把双刃剑。一方面，它们对 WIMP 合理质量和相互作用的新约束正在为下一代探测器的计划做好准备，这些探测器可能提供更好的成功机会。另一方面，它们已经排除了某些最简单和最受珍视的 WIMP 模型，引发了新的担忧，即长期假设的粒子可能是在寻找暗物质过程中的一个长达数十年的弯路。
爱德华·“洛基”·科尔布是一位宇宙学家，现在在芝加哥大学工作，他在 20 世纪 70 年代帮助奠定了未来几代 WIMP 搜寻的基础，他宣布 2010 年代是“WIMP 的十年”，但现在承认搜寻工作并未按计划进行。“现在，我们对暗物质的了解比五年前更加黑暗，”他说。科尔布说，到目前为止，大多数理论家都通过“让一千个 WIMP 绽放”来回应，创造出越来越复杂和奇异的理论来解释 WIMP 如何设法躲避我们所有的探测器。
当然，还有另一种可能性——WIMP 不是我们应该寻找的暗物质解决方案。“WIMP 作为对复杂现象的简单、优雅、引人注目的解释而出现，”科尔布说。“对于每一种复杂的现象，都有一种简单、优雅、引人注目的解释，但它是错误的。”
寻找奇迹
不过，在 WIMP 搜寻者中，普遍的假设是他们只是还没有足够努力地寻找，LUX 发言人理查德·盖茨克尔说。由于这些难以捉摸的粒子的确切质量和相互作用强度存在不确定性，WIMP 搜索空间跨越了八个数量级。如果 WIMP 非常巨大，那么在任何给定时刻，你的紧握的拳头大小的空间内可能只有一两个；如果它们非常轻，那么每秒必须有数十亿个穿过你。创建一个探测器来涵盖如此广阔的范围，就像设计一个网来捕捉某种鱼类一样，这种鱼类的大小可以是红细胞的大小，也可以是城市的大小，或者介于两者之间的任何大小。
盖茨克尔和其他 WIMP 搜寻者押注更大的探测器会产生更好的结果，并且制定了新一代实验的计划，这些实验具有显着更大的尺寸和灵敏度。“我从 28 年前开始使用 10 克探测器进行寻找，”盖茨克尔说。“今天我们正在使用一个三分之一吨液态氙的探测器。在未来 10 到 15 年内，我们将使用 100 吨的探测器进行寻找。”
在没有 WIMP 实际经验证据的情况下，一个单一的、非常有说服力的理论论证——它们必然存在——支撑了多年来对它们搜寻的稳定投资。物理学家称之为“WIMP 奇迹”。这个奇迹建立在两个推测性的支柱之上。
第一个支柱可以追溯到宇宙时间的最初瞬间。将标准模型直接外推到那个原始时代表明，WIMP 应该在大爆炸后立即充满宇宙的致密、热等离子体中大量产生。大多数 WIMP 会以相对论速度相互碰撞并湮灭，从而产生普通粒子。随着宇宙膨胀和冷却，这个过程会减弱，留下“遗迹”种群——冷的、慢速的 WIMP。代入介导这个过程的弱力的已知强度，你就可以计算出今天应该存在多少遗迹 WIMP。答案——WIMP 的数量大约是普通物质的五倍——与观测到的暗物质丰度相符。
奇迹的第二个支柱将 WIMP 与现代希格斯玻色子的质量联系起来。希格斯玻色子在 LHC 上被测量为比质子重 130 多倍，是已知的最重的粒子之一。然而，量子力学的原则表明，希格斯玻色子的质量应该是 不稳定的，与已知粒子相互作用后会增长数万亿倍。除非，它的失控增长以某种方式被新的、尚未发现的大质量基本粒子抵消。此类粒子是超对称性的标志性预测，超对称性是标准模型的流行扩展，通过假设每个粒子都有一个伴随的“超伴子”来填补理论空白。许多超对称性理论预测，最轻的超伴子将是一个稳定的、中性的、弱相互作用的粒子——也就是说，一个 WIMP。这就是 LHC 一直在寻找——但未能找到——的幽灵粒子，它在最新的碰撞中也没有找到。“令人惊叹的是，这两条完全独立的证据线索是如何汇聚在一起，告诉你这些粒子可以存在，并为你提供正确类型和数量的暗物质，”纽约大学的暗物质理论家尼尔·韦纳说。“这就是 WIMP 奇迹。”
然而，近年来，理论家们已经表明，WIMP 并不像它们看起来那么神奇。2008 年，当时都在加州大学尔湾分校的乔纳森·冯和杰森·库马尔展示了超对称性也如何产生一类假设的粒子，这些粒子比 WIMP 更轻，相互作用更弱。“这些粒子产生的暗物质数量与我们今天看到的相同，但它们不是 WIMP，”冯说。“这打乱了局面，因为它在理论上同样有充分的理由。我们称之为无 WIMP 奇迹。”
简单的 WIMP 模型的理论基础正在衰退，再加上越来越多的徒劳无功的探测努力，导致冯和许多其他人提出 WIMP 只是一个更复杂图景的一部分：一个全新的宇宙隐藏领域，充满了多种多样的暗粒子，它们通过一套暗力相互作用，可能通过暗光的爆发交换暗电荷。由于它们为理论家提供了更多可操作的变量，因此可以将此类“暗区”模型进行调整，以适应新数据对暗物质施加的日益严格的束缚。
缺点是这种广泛的灵活性使得它们非常难以得出确凿的检验结论。“对于暗区，你可以自由地发明几乎任何你想要的东西，”普林斯顿大学的天体物理学家戴维·斯珀格尔说。“现在我们已经失去了 WIMP 奇迹的指导，可用模型的空间是巨大的。这是一个我们不知道正确选择是什么的游乐场——我们现在需要更多来自自然的暗示，告诉我们接下来该去哪里。”
情况可能是，我们只触及了自然界中粒子和力的完整多样性的表面——只关注夸克、光子等，因为它们对我们来说是如此熟悉和容易接近。在这种情况下，我们就会“像一个醉汉，只在路灯下寻找他丢失的钥匙，因为那是所有光线所在的地方，”韦纳说。“有些场景是我们目前的科技根本无法检验的。另一方面，如果你有创意，也许你可以制造新的路灯。”
暗马
在现在已知的其他路灯中，很少有（如果有的话）完全符合理论家的所有正确条件。与 WIMP 一样，其中一些替代暗物质候选者也具有令人信服的理论基础。一些专家表示，它们的相对默默无闻部分归因于这样一个事实，即它们不像 WIMP 假设那样在现象学上丰富，为实验主义者和理论家寻求和研究提供的诱人信号和有趣问题较少。
去年，一个研究团队因发现被称为中微子的幽灵般的、弱相互作用的粒子有三种“味”并且具有质量而获得了诺贝尔物理学奖。这三种中微子种类质量不足以解释暗物质，但由于它们本身就具有质量，因此开启了存在第四种中微子的可能性——一种大质量的、所谓的“惰性中微子”。
“几乎所有的中微子质量产生机制都需要惰性中微子的存在，而且其中一些惰性中微子很容易解释暗物质，”加州大学尔湾分校的理论家凯沃克·阿巴扎吉安说。但是，从未有人找到过惰性中微子，包括有史以来最灵敏的搜寻，8 月底报道，来自一个使用南极冰立方中微子天文台的团队。
暗物质的另一个长期“暗马”候选者是轴子，这是一种假设的弱相互作用粒子，最初在 1977 年提出，用于解释和解决量子相互作用中原本神秘的不对称性。为了让轴子解释暗物质，它们需要占据相对狭窄的质量范围，并且比 WIMP 轻得多，这可能会使它们更难被探测到。“如果我们找不到 WIMP，理论家们就会将他们的赌注转移到轴子上，”斯坦福大学研究轴子和其他暗物质候选者的物理学家彼得·格雷厄姆说。
除了 WIMP 和暗区、惰性中微子和轴子之外，还有更奇异的暗物质可能性，尽管它们占据了物理学的边缘。
可能在大爆炸后不久形成的黑洞可能构成宇宙的隐藏质量，但它们必须以如此丰富的数量存在，以至于我们可能已经通过其他方式发现了它们。即便如此，我们对这种“原始”黑洞的搜寻还不够彻底，无法完全排除它们作为暗物质来源的可能性。或者，暗物质可能是粒子在隐藏的邻近维度中快速移动的超空间足迹——但 LHC 或任何其他加速器都没有出现令人信服的额外维度证据。
最令人震惊的是，暗物质可能在很大程度上是虚幻的，表明我们对通过爱因斯坦广义相对论理解的引力存在缺陷。“修正引力”的各种理论表明，在某些情况下，引力会减弱，这可以解释一些暗物质观测——特别是星系的动力学——但难以解释天文学家在星系团和宇宙大爆炸余辉中看到的暗物质归因细节。
但是，与偏爱 WIMP 而不是轴子和惰性中微子一样，一些物理学家怀疑，对修正引力的广泛厌恶至少部分是由于科学家的社会学而不是科学过程本身。“修正引力在粒子物理学家眼中并不‘漂亮’，”德国法兰克福高等研究院的理论家萨宾·霍森费尔德说。“发明新粒子是粒子物理学家的职业；当然那是他们更喜欢做的。”
无论他们偏爱哪个候选者，许多与暗物质作斗争的物理学家最担心的不是这个概念最终会被视为某种程度上无效或完全错误——暗物质存在的观测证据是压倒性的。相反，他们担心暗物质的身份可能最终与物理学中的其他伟大谜团无关，因此无法为理解现实的真正本质提供新的途径。
“人们渴望暗物质不仅存在，而且还能解决标准模型的其他突出问题，”麻省理工学院的物理学家杰西·塔勒说。“并非每一项新发现都能像希格斯玻色子那样具有启示性，在那之后，各种理论突然更好地结合在一起。有时，新粒子只会让你说，‘谁订购了这个？’我们生活在一个每个发现都会带来更深入、更根本的见解的宇宙中，还是生活在一个有些部分有韵律和道理，而另一些部分则没有的宇宙中？暗物质提供了这两种可能性。”