回到地球，从岩石中，寻找暗物质存在的痕迹

　　暗物质作为一种神秘的存在，被认为构成了宇宙物质的84%。在分布于地球各处地下的二十多个实验室里，每天都有很多科学家利用大量的液体、金属、半导体等材料寻找暗物质存在的证据。

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　　尽管实验越来越复杂，搜索方式也越来越精确，但截至目前，除了意大利一个实验室饱受争议的信号发现之外，几乎一无所获。

　　暗物质不同于构成人类、恒星、动物、植物等的常规重子物质：除非是通过重力（也许还有弱核力），暗物质不与其它任何物质相互作用。我们看不到它们，但物理学家们肯定，它们广泛存在于宇宙中。

　　几十年来，弱相互作用大质量粒子（Weakly interacting massive particles,简称WIMP）一直是暗物质的热门候选者。许多实验都是通过寻找WIMP出现并撞击普通物质的证据来证明其存在。在这种情况下，WIMP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埋在地底深处非常灵敏的仪器。由于宇宙射线也会导致原子核反冲，将仪器埋藏在地底深处可以屏蔽宇宙射线带来的影响。

　　然而，历经几十年的艰辛，科学家依然没有找到暗物质存在的迹象。最近，波兰、瑞典和美国的研究团队有了新的构想，他们认为不要只将关注点集中在地壳下探测器中的锗、氙和闪烁体，也要关注地壳本身。在岩石当中也藏着太阳系历变的秘密，其中可能存在撞击原子核的反冲化石，即WIMP的冰冻印记。密歇根大学理论物理学家Katherine Freese和她的同事们以此为基础设计了地表下远古痕迹探测器，其工作原理与目前的直接探测方法类似，不同于后者在实验室中大量装配液体和金属，以便实时观察WIMP的反冲过程，新探测器主要是寻找WIMP撞击原子核时在矿石中留下的痕迹。

　　如果原子核以足够的能量反冲，并且被扰动的原子正好被深埋在地下(就能保护样本不宇宙射线的影响)，那么反冲轨迹就可能被保留下来。如果这个理论成立，研究人员就可以发掘岩石，剥离时间层，通过纳米成像技术探索发生在过去的故事。最后，我们证明暗物质存在的证据很可能是化石遗迹，就像是发现了恐龙捕食过程中留下的足迹一样。

　　大约五年前，Freese开始和Andrzej Drukier讨论新探测器的类型。Andrzej Drukier是斯德哥尔摩大学的物理学家，他过去研究暗物质探测，后来转向生物物理学领域。他们希望与生物学家George Church共同设计基于DNA和酶反应的暗物质探测器。

　　2015年Andrzej Drukier前往俄罗斯新西伯利亚，研究一种藏在地球表面下的生物探测器原型。他惊喜地发现在俄罗斯有一些冷战期间的挖掘的深井，深达12km，可以很好地隔离宇宙射线。典型的暗物质探测器相对较大，对信息高度敏感，这些年的工作大多在寻找WIMP的即时讯息。相反矿石体积小且对WIMP相互作用不太敏感，但可能记录了数亿年的痕迹。

　　Andrzej Drukier说：从极深的地核中取出的岩块有十亿年的历史，越往深处，岩石越古老。于是我们不再需要建造探测器，因为地里面有天然探测器。然而新的问题又来了，地球充满了放射性铀，衰变时会产生中子，中子也会撞击原子核，形成干扰数据。Freese说，他的研究团队最初描述古探测器的论文没有考虑到铀衰变产生的噪音，但其他对此感兴趣的科学家指出了这个问题。于是他们研究团队花了两个月的时间研究了数千种矿物，以了解哪些矿物是从铀衰变中分离出来。他们认为，最好的远古痕迹探测器应该由含有少量二氧化硅的岩石，即超基性岩石构成。此外，他们还寻找含有大量氢的矿物质，因为氢能有效阻绝铀变产生的中子。

　　麻省理工学院的理论物理学家Tracy Slatyer尽管没有参与这项研究，但她表示：“寻找化石反冲可能是一个寻找WIMP的好方法。这就好像在寻找一个似乎没有跳跃的原子核，只有跳跃了一定的距离，我们才能发现它的变化。就像，把一个乒乓球扔向保龄球，会看到乒乓球的跳跃过程，不会看到保龄球的运动过程，但通过一些技术手段，也许我们可以看到保龄球的运动。”

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　　虽然有了新的构思，但是实际实验并不容易。研究必须要在地下深处进行，这样核心样本才能与太阳和宇宙射线隔离。同时需要用最先进的纳米成像技术解决原子核移动的问题。

　　Tracy Slatyer表示：“即使WIMP确实留下了可观察到的线索，远古痕迹探测器的主要挑战应该是确保化石痕迹真的来自于暗物质粒子。研究人员将花费大量时间证明反冲不是受中子、太阳中微子或其他物质影响产生。也许有人说，可以进入足够深的地方去躲避宇宙射线，但这不是在实验室里，不可控因素很多，我们很难理解岩石矿床的历史。即便是发现了某些信号，也需要进行更多工作才能确定这个信号的可信度。

　　Drukier 和 Freese都表示，远古痕迹探测器的优势在于数量。岩石中含有大量矿物质，每个矿物质原子都含有原子核，它们会以不同的方式从掠夺的WIMP中反弹。Freese说：“这将允许实验人员观察反冲光谱，检验结果，并有可能得出关于WIMP的结论。在未来，远古痕迹探测器甚至可以提供一段时间内的WIMP记录，就像化石记录使得古生物学家能重构地球上的生命历史一样。”

　　对Slatyer来说，长时间的记录可以提供一个独特银河系暗物质晕的探测器。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2.5亿年的过程中，地球会穿过它。了解银河系的暗物质晕是如何分布的，可以深入了解它的物理行为，甚至可以证明暗物质是否以超越重力的方式与自身相互作用。Slatyer说：“现在已经到了理论和建模都非常活跃的发展阶段。”但Freese和Drukier表示，前路漫漫，远古痕迹探测器首先必须证明它能够找到已知粒子(如太阳中微子)留下的反冲轨迹，然后证明它们能从普通的反冲中分离出WIMP的轨迹。

　　Drukier说：“这是一个重大的观点变化，我们会找到暗物质吗？我已经找了35年了。这可能是世界上最困难的实验，也许我们也未能有找到暗物质的幸运，不过这事儿本身很酷。”