澳大利亚科学家正在朝着解开宇宙中最大的谜团——“暗物质”的本质迈进。
让我们从一个故事开始
大约140亿年前，所有的小块物质，地球和星系的基本粒子被压缩到一个非常密集、炎热的区域。然后宇宙大爆炸发生了，一切分崩离析。粒子结合成原子，原子最终聚集在一起形成恒星，恒星爆炸后产生各种奇异物质。几十亿年后，地球诞生了，最终地球上住满了人类。事实证明，这并不是故事的全部，甚至连故事的中场也没达到。
人、行星、恒星和星系都是由“规则物质”构成的。但我们知道普通物质只占宇宙中所有物质的六分之一。其余部分是由我们所说的“暗物质”构成的。
如果它是隐形的，我们怎么知道它的存在？
当我们观察物体在空间中的运动方式时，我们一次又一次地发现，如果只考虑我们看到的东西，我们无法解释我们的观察结果。旋转星系就是一个很好的例子，大多数星系的旋转速度不能仅用可见物质的引力来解释。因此，这些星系中一定存在暗物质，它们提供了额外的引力，使星系旋转得更快，并且不会有部分被甩到太空中。我们认为暗物质将星系维系在一起，所以宇宙中一定有大量的暗物质，吸引着我们能看到的所有东西。它也从你身上穿过，就像某种宇宙“鬼魂”，只是感觉不到。
*“子弹星系团”是一个巨大的星系团，它被解释为暗物质存在的有力证据。（图片来源：美国国家航空航天局）
我们怎样才能发现它呢？
许多科学家认为暗物质可能是由被称为“轴子”的假想粒子组成的。轴子最初是作为粒子物理学中“强CP问题”的解决方案被提出的。不管怎样，在轴子被提出后，科学家们意识到在某些条件下，这种粒子也可以组成暗物质。这是因为人们认为轴子与普通物质之间的相互作用非常弱，但仍然有一定的质量，这是暗物质所需要的两个条件。
那么如何寻找轴子呢？既然暗物质被认为无处不在，我们就可以在地球上建造探测器。幸运的是，预测轴子的理论也预测了轴子在适当的条件下可以转化为光子。这是个好消息，因为我们很擅长探测光子。这正是ORGAN所做的。它设计了正确的轴—光子转换条件，并寻找微弱的光子信号——暗物质通过探测器时产生的微弱闪光。
这种实验最早提出于20世纪80年代。当今世界上有几项研究，每一个侧重的方面都略有不同。
* ORGAN实验的主要检测器。一个叫做“共振腔”的小铜圆柱体可以捕获暗物质转换过程中产生的光子。圆筒被固定在一个“稀释冰箱”上，可以将实验冷却到非常低的温度。
用光照射暗物质
人们相信轴子在强磁场的存在下会转化为光子。在一个典型的光环轴离子中，我们使用一个叫做“超导螺线管”的大电磁铁来产生磁场。
我们在磁场中放置一个或几个空心的金属腔，目的是捕获光子，使光子在腔内反弹，使其更容易被探测到。
然而，有一个小问题。任何有温度的东西都会不断发出随机的小闪光。这些随机发射或“噪音”使我们更难探测到我们正在寻找的微弱暗物质信号。为了解决这个问题，我们把谐振器放在一个“稀释冰箱”里。这个奇特的冰箱将实验冷却到零下273°C，这大大降低了噪音。实验温度越低，我们就越能“听到”暗物质转换过程中产生的微弱光子。
针对大规模区域
具有一定质量的轴子将转换为具有一定频率或颜色的光子。但由于轴子的质量是未知的，实验必须将他们的搜索目标对准不同的区域，集中在那些被认为更有可能存在暗物质的区域。
如果没有发现暗物质信号，那么要么是实验不够灵敏，听不到噪声之上的信号，要么就是对应的轴子质量区域没有暗物质。
当这种情况发生时，我们设置了一个“排除极限”——意思是我们在这个质量范围内、在这个灵敏度水平上没有发现任何暗物质。这就提醒暗物质研究界的其他人，要把他们的研究方向转向别处。
在靶频率范围内，ORGAN是最灵敏的实验。它最近的运行没有探测到暗物质信号。这个结果对轴子的可能特征设置了一个重要的排除限制。
这是寻找轴子的多年计划的第一阶段。我们目前正在准备下一个实验，它将更加敏感，目标是一个新的，尚未开发的大规模范围。
暗物质为什么重要呢？
我们从历史中得知，科学家们对基础物理学的重视和研究最终会启发重要的技术。例如，所有现代计算都依赖于我们对量子力学的理解。如果我们不去追求那些在当时看来无法理解的奇怪物理现象，我们就永远不会发现电或无线电波。暗物质也是如此。想想人类仅通过了解宇宙中1/6的物质就取得的成就，想象一下，如果我们解开了暗物质之谜，我们能做出多么惊人的成就？
（科幻世界 独家编译）
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