瞎猜的
物理学家仍在寻找暗物质——宇宙中缺失的一块拼图
克里斯托弗·卡罗内教授试图修改物理学的标准模型——一组方程
为了解释暗物质的存在，它描述了粒子间的相互作用。
粒子物理学家克里斯托弗·卡罗内希望不用离开办公室就能解开宇宙的奥秘。他没有实验服，也没有高科技的科学设备。他工作时穿着连帽运动衫，戴着武术腕带。“我不做繁重的计算工作，大部分都是用铅笔和纸，”他说。
卡罗内研究暗物质，这是一种几乎无法探测到的物质，它解释了星系意想不到的快速旋转。万有引力定律决定了星系中恒星、尘埃和气体的轨道速度，但天文学家观察到，许多星系的旋转速度比他们的方程预测的要快。这表明，这些星系中有我们看不见的物质——即暗物质——提供了达到高速所需的质量。
尽管暗物质的含量是普通物质的5倍，但由于它不反射光线，也不与电荷发生反应，因此很难研究。自从1933年提出暗物质的存在以来，还没有人能够直接观察到暗物质。科学家们对它的组成、行为和质量几乎一无所知，只知道它必须有一定的质量才能使星系聚集在一起。
卡罗内怎么能不离开办公室就研究这种难以捉摸的物质呢？许多科学家试图修改粒子物理学的标准模型——一系列描述亚原子粒子特性的方程——以便为暗物质腾出空间，他就是其中之一。世界各地的粒子物理学家对在线预印本档案中的标准模型提出了修改建议，但没有一个得到实验证实。每天大约有30篇文章上传到这些网站，卡罗内注意到，其中很大一部分通常涉及暗物质。缺乏关于暗物质的确凿事实给猜测留下了很大的空间。“我们知道的不多，”他承认。“这就是为什么有大量的理论。”
物理学家是如何筛选这些丰富的理论的呢？南达科他州的大型地下氙气（LUX）实验目前正在进行中，它可能会推翻一些现有的暗物质理论。在LUX实验中，科学家们正在观察一个800磅重的液态氙浴。由于暗物质被认为无处不在，一个散失的粒子可能会撞到浴缸里。选择氙是因为它的核大——一个大的目标更容易被击中。周围的探测器等待着原子核被暗物质粒子反射回来。虽然暗物质是无法探测到的，但科学家可以通过观察散射氙粒子的运动来揭示其质量、密度和相互作用行为的信息。
隔离暗物质并不容易。对于探测器来说，暗物质碰撞与氙原子的随机碰撞是无法区分的。此外，自然产生的辐射可以触发探测器中的信号。LUX的实验人员尽最大努力减少误报。首先，他们将浴槽的温度降低到零下160华氏度，这样可以减缓氙粒子的速度，并最大限度地减少它们之间的碰撞。然后，他们将氙气放入一个7万加仑的水箱中，并将其放置在地下一英里的矿井中，使实验免受背景辐射的影响。
不过，没有一个实验是完美的。即使采取了这些预防措施，氙原子之间还是会相互碰撞，一些辐射会通过。卡罗内解释说：“你需要证明，在背景因素可能造成的影响之外，还有多余的因素。”“如果你有过量，你必须有足够的证据表明，从统计学上讲，这不仅仅是背景噪音的波动。”
经过三个月的数据收集，LUX实验没有发现任何可以与背景辐射区分的东西。“这有点令人沮丧，”卡罗内承认，“当你年轻时，你进入科学领域，你希望你能在那里见证我们对宇宙理解的一些伟大革命。在粒子物理学中，这是一个缓慢的过程。”
尽管如此，LUX实验的负面结果帮助科学家排除了暗物质的某些理论。这些理论大多预测了暗物质和普通物质之间的碰撞强度，因此LUX实验的负面结果允许物理学家拒绝或限制预期积极结果的理论。
作为一名理论家，卡罗内依靠像LUX这样的实验来证实或拒绝他的预测。如果没有数据来支持他的观点，理论家就会留下一堆漂亮的方程。“有太多美丽的数学结构，”卡罗内警告说，“你可以偏离正题，用你的一生来追随一些基于数学之美的想法。但比起正确的宇宙理论，数学之美要多得多。”出于这个原因，他专注于暗物质等主题，在他有生之年，他的理论将得到检验。
虽然LUX实验可能会排除许多流行的暗物质模型，但卡罗内教授并不特别担心——事实上，如果数据排除了所有的主流理论，他会更高兴。他说：“如果这些发现能迫使我们抛弃先入之见，提出一些完全不同的框架，那就太好了。”虽然人们很容易希望未来的实验能证实他的一个理论，但卡罗内意识到，最伟大的科学突破来自意想不到的结果。
*这篇文章是威廉玛丽学院环境科学与政策课程的一部分，ENSP 249：科学传播。有关课程的更多信息，请发送电子邮件给课程讲师Ibes博士dcibes@wm.edu。
来源
Akerib， D, et al. 2014。桑福德地下研究设施LUX暗物质实验的第一批结果。物理评论快报，2014年3月4日。
暗物质：我们知道什么，为什么你应该关心。《华盛顿邮报》。2013年11月7日。
比耶尔德，O. S.达斯和A.莫斯，2012。δ N-eff的起源是暗辐射和暗物质相互作用的结果。宇宙学与天体粒子物理学报10（17）。
卡罗内博士，威廉玛丽学院物理学教授。757.221.2451 cdcaro@wm.edu。个人沟通，面试，2014年2月6日。
Carone， C. and R. Primulando, 2011。嗜瘦暗物质衰变的Froggatt-Nielsen模型。物理评论D 84(3)。
格里斯沃尔德,布瑞特。宇宙由什么构成？美国国家航空航天局。
