科学家寻找暗物质的新方法：天然的地下古岩石探测器！

在分布在地球各地的近24个地下实验室里，科学家们正在使用大桶液体或金属和半导体块来寻找暗物质的证据。他们的实验越来越复杂，搜索也越来越精确，然而，除了意大利一个实验室受到的一个备受争议的信号之外，还没有人找到直接证据来证明这种神秘物质的存在，这种神秘物质被认为构成了宇宙84%的物质。

一项新的研究表明，我们应该更“深入”地进行研究。

暗物质不同于普通的重子物质(重子物质是构成恒星、星系、狗、人类和其他一切的物质)，它只会通过引力(或许还有微弱的核力)与其他物质相互作用。我们看不见它，但物理学家们却几乎可以肯定它就在那里，塑造着星系和它们在宇宙中的路径。

几十年来，暗物质粒子的理想可能物质一直是一种被称为弱相互作用大质量粒子(wimp)的假想物质。许多实验都是通过寻找弱相互作用大质量粒子(WIMP)出现并撞击普通物质的证据来试图证明弱相互作用大质量粒子(WIMP)的存在。在这种情况下，弱相互作用粒子会通过弱作用力撞击原子核，受撞击的原子核会反冲并释放出某种形式的能量，如闪光或声波。探测这种几乎觉察不到的现象需要灵敏的仪器，而这些仪器通常会埋在地下很深的地方，目的主要是使这些仪器被阻挡在任性的宇宙射线之外(因为宇宙射线也会导致原子核反冲)。

在搜寻这些微弱的脉冲信号几十年后，科学家们还是几乎没有确凿的证据来证明他们的存在。现在，来自波兰、瑞典和美国的一队物理学家有了另一个新想法。他们认为，不要只看地壳下探测器中的锗、氙和闪烁基数器，而要去看地壳本身。在埋藏着太阳系过去历史的岩石记录中，我们可能会发现受撞击原子核的反冲化石，即一个弱相互作用大质量粒子的定格痕迹。

“我们一直在寻找替代的方法，”密歇根大学(University of Michigan)的理论物理学家凯瑟琳·弗雷斯(Katherine Freese)说，她是目前正在运作的几个探测器的构思者。

根据Freese和她的同事们的说法，地下古生物探测器的工作原理与目前的直接探测方法类似。与在实验室中装备大量的液体或金属来实时观察WIMP反冲过程不同，他们将寻找WIMP撞击原子核的化石痕迹。当原子核反冲时，它们会在某些矿物中留下损伤痕迹。

如果原子核以足够的能量反冲，而且被撞击的原子马上被深埋在地下(以保护样本不受可能会干扰数据的宇宙射线的伤害)，那么反冲痕迹就可以被保留下来。如果是这样的话，研究人员也许能够挖出岩石，剥离时间的痕迹，并利用原子力显微镜等先进的纳米成像技术来探索这些很久以前的事件。最终的结果将是一个化石痕迹：暗物质就会像是蜥脚类动物逃离捕食者时留下的足迹那样。

微小的撞击

大约五年前，Freese开始和Andrzej Drukier讨论新的探测器类型，Andrzej Drukier是斯德哥尔摩大学的物理学家，他的职业生涯是从研究暗物质探测开始的，之后转向生物物理学。他们与生物学家乔治·丘奇(George Church)共同提出的一个想法涉及到一些基于DNA和酶反应的暗物质探测器。

2015年，Drukier前往到俄罗斯的新西伯利亚，研究一种藏在地球表面下的生物探测器原型。在俄罗斯，他了解到冷战期间钻过的一些井，有些井深达12公里，任何宇宙射线都无法穿透这种深度，Drukier非常感兴趣。

典型的暗物质探测器相对较大，对突发事件高度敏感。他们的搜索持续了好几年，但大多数情况下，他们是在寻找实时的WIMP撞击。而矿物虽然相对较小，对WIMP相互作用也不那么敏感，但它可能代表着一项持续了数亿年的研究。

Drukier说：“这些从非常非常深的岩心中取出的岩块，实际上已经有10亿年的历史了，你挖越深，岩石就越老。所以突然之间你就不再需要建立一个探测器了，你在地下本来有一个探测器了。”

但除了宇宙射线之外，地球也有它自己的问题。这个星球充满了放射性铀，当它衰变时会产生中子，这些中子也可以撞击原子核。Freese说，研究小组最初描述古探测器的论文没有考虑到铀衰变产生的影响，但其他感兴趣的科学家发表了大量评论，使得他们回去重新修改了论文。研究小组花了两个月的时间研究了数千种矿物，以了解哪些是从铀衰变中分离出来的。他们认为，最好的古生物探测器应该是由海洋蒸发岩(基本上是岩盐)组成的岩石，或者是只含有非常少量二氧化硅的岩石(即超基性岩石)。此外，他们还在寻找含有大量氢的矿物，因为氢能有效地阻止铀衰变产生的中子。

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的理论物理学家特雷西·斯拉特耶(Tracy Slatyer)并没有参与这项研究，但她说，寻找反冲化石可能是寻找低质量WIMP的一个好方法。

她说：“你在寻找一个似乎没有原因的原子核跳跃，但它必须跳跃一定的距离，以便你能看到它。如果我把一个乒乓球扔向保龄球然后弹回来，我们不会看到保龄球有移动多大的距离——或者你最好能够察觉到你的保龄球运动的微小变化，这也是一种新的方式。”

最难的实验

这个研究所涉及的实地工作并不容易。研究必须在地下深处进行，在那里核心样本将不会受到宇宙和太阳辐射的伤害，而原子核移动的证据也需要最先进的纳米成像技术来解决。

斯拉特耶说，即使大质量弱相互作用粒子确实留下了可观察到的痕迹，古生物探测器的主要关注点也会将是确保这些化石痕迹真的来自暗物质粒子。她说，研究人员将不得不花大量时间说服自己这些反冲痕迹不是中子、来自太阳的中微子或其他物质的作用所留下的。

她说：“它们很好地说明了你可以深入到相当深的地方去躲避宇宙射线，但这不是一个可控的系统，这不是实验室。你可能不太了解这些岩石矿床的历史，即使你声称你在里面发现了信号，你也需要做更多的工作才能确信你看到的并不是某种岩石背景。”

Drukier和Freese都表示，这些古探测器的优势可能在于数量。一块岩石中含有大量的矿物质，每一种矿物质的原子核都会以不同的方式对弱相互作用粒子进行反冲。因此，不同的元素将充当不同的探测器，所有这些探测器都包裹在一个岩核样本中。Freese说，这将允许实验人员观察反冲光谱来证实他们的证据，并有可能让他们得出关于WIMP质量的结论。在未来，一个古生物探测器甚至可以提供一段时间内的WIMP记录，就像化石记录可以让古生物学家重建地球上的生命历史一样。

对斯拉特耶来说，这一长时间的记录可以为银河系暗物质晕提供一个独特的探测器。暗物质晕是一种由不可见物质组成的云，在太阳系围绕银河系中心运行2.5亿年(即太阳围绕银河系运行一周的时间)的过程中，地球会穿过这些暗物质晕。斯拉特耶说，了解银河系的暗物质晕的分布可以帮助我们了解它的物理行为，它甚至可以证明暗物质是否会以超越引力的方式与自身相互作用。

“这是一个理论和模型仍然处于非常活跃的发展阶段的领域，”她说。

然而，这离现实还有很长的路要走。Freese和Drukier说，一个可以验证原理的古探测器首先必须证明它能够找到已知粒子(如太阳中微子)留下的反冲痕迹，然后它们必须证明它们能从这些普通的反冲痕迹中分离出WIMP痕迹。

Drukier说：“这是一个重大的视角转变，我们能找到暗物质吗?我已经花了35年的时间来寻找它了，这可能是世界上最困难的实验，所以我们可能不会太幸运，但这很酷。”