作者：Ron Cowen，来自自然杂志
物理学家上周宣布，暗物质粒子——被认为构成宇宙质量80%以上的不可见、假想物质——的质量可能比之前认为的要低。 这些结果已发布在 arXiv 预印本服务器上，与一些实验的结果相符，但与其他实验相矛盾。
研究结果是什么？
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研究人员，包括德国慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的戈德哈德·安霍勒，专注于被称为 WIMP（弱相互作用大质量粒子）的候选暗物质粒子。 该团队分析了来自意大利亚平宁山脉深处格兰萨索国家实验室的 CRESST II 实验的数据。 研究人员识别出的 67 个类似 WIMP 的信号中，有 27 个无法排除是背景事件，他们说。 如果这些信号确实是 WIMP，那么这些粒子的质量将约为 100 亿到 500 亿电子伏特（是质子质量的 9-53 倍）。
这些发现与其他可能的暗物质探测结果相比如何？
参与 CRESST II 研究的利奥·斯托多尔斯基称这些发现“有趣但并非决定性的”，因为科学家无法确定他们是否已正确识别并解释了每一个会模拟类似 WIMP 信号的背景事件，这些发现不符合粒子物理学中证据的标准。 其他使用不同探测器的实验，包括同样在格兰萨索的 DAMA/LIBRA 和位于明尼苏达州苏丹地下实验室的 CoGeNT，也探测到了质量范围相似的类似 WIMP 的信号。 但所有这些结果都与另外两个实验相矛盾，即意大利实验室的 XENON100 和苏丹的 CDMS II，它们未能在相似的质量范围内发现具有统计学意义的 WIMP 证据。
那么，关于暗物质的性质是否有任何共识？
显然，纽约大学的理论家尼尔·韦纳说，有人错了。 但他不确定，他补充说，是一些——或者可能所有——实验都错了，还是 WIMP 比理论家假设的相对简单的粒子更复杂。 暗物质粒子与质子的相互作用可能与与中子的相互作用不同，或者它们可能像原子中的电子从较低能级跃迁到较高能级一样，从较低的内部能量状态跃迁到较高的内部能量状态。 这些特性可能解释实验之间明显的差异，但会与被称为超对称性的流行粒子物理学理论相矛盾，该理论假设每个已知的基本粒子都有一个更重的对应粒子。 最简单的超对称性版本不包括具有两个内部能量状态等特性的 WIMP。 无论 WIMP 的详细特性如何，“由于来自 CRESST 和其他实验的越来越多的证据，我现在非常非常认真地对待轻 WIMP”，伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的理论家丹·胡珀说。 “我的脚步跟随证据的方向。”
为什么物理学家认为 WIMP 不太可能具有低质量？
理论家认为，由于低质量粒子更容易在粒子加速器中产生，因此低质量 WIMP 的指纹应该已经在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机等机器中被发现，该粒子物理实验室位于瑞士日内瓦附近。 但是，面对最新的结果，科学家们意识到 WIMP 可能毕竟具有低质量，但难以被发现。 斯托多尔斯基说，WIMP 应该具有高质量的假设“是一种没有特别理由的时尚”。
经过二十多年的寻找，为什么仍然如此难以找到暗物质？
尽管暗物质粒子的质量与铁原子等较重原子核的质量相似，但它们与普通物质的相互作用非常弱，以至于它们经常穿过地球，甚至整个银河系，而没有留下任何痕迹。 因此，探测器需要大的面积和许多公斤的质量才能捕捉到 WIMP。 实验必须埋在地下，以屏蔽宇宙射线等来源，这些来源会产生嘈杂的背景信号。 实验还需要额外的屏蔽，以防止来自地下实验室墙壁和实验设备本身的放射性衰变。
既然我们看不到它，也没有人明确地探测到它，为什么大多数科学家认为暗物质一定存在？
宇宙中普通物质的数量不足以提供足够的引力，以防止旋转的星系分崩离析。 暗物质也被认为在宇宙早期发展中很重要，因为它提供了将物质聚集成分块所需的引力，这些分块最终将成为星系。 此外，粒子物理学家计算出的当今宇宙中 WIMP 的丰度，与解释其当前结构所需的暗物质数量大致匹配。 这种匹配被称为“WIMP 奇迹”。
下一步是什么？
XENON100 的结果预计将在今年晚些时候公布，而来自 CRESST II 的更多数据应进一步减少由模拟 WIMP 的来源产生的误差。 随着 CRESST II 的继续进行，它将能够寻找撞击其探测器的 WIMP 数量的季节性变化。 这种变化——夏季的 WIMP 比冬季多——多年来已在 DAMA/LIBRA 实验中得到证实，并在今年早些时候在 CoGeNT 中得到证实 5。 如果得到证实，这些变化将与星系旋转时保持静止的暗物质粒子云的预测相符。 证实银河系中存在 WIMP 云的证据将使寻找暗物质粒子更有把握。
本文经《自然》杂志许可转载。 该文章于 2011 年 9 月 13 日首次发表。