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重點提要
■科學家認為宇宙裡充斥著某種不明型態的物質－－暗物質，主要原因有兩個：除了因為恆星、星系與氣體雲的運動，好似遭受隱形物質的重力拉扯，也因為在輻射等過程中出現的謎團，都可藉由假設宇宙中存在著迄今仍未知的粒子來解決。
■一般認為暗物質的主要成份是「弱作用大質量粒子」（weakly interacting massive particle, WIMP），那是一種幾乎不與可見世界作用的粒子，平淡無趣是其主要特徵。
■但事實上暗物質是否可能擁有豐富的內在世界呢？努力想了解暗物質的粒子物理學家認為，它或許能夠透過各種形式的力來作用，包括一種我們根本看不見的光。
1846年9月23日，德國的柏林天文台台長加勒（Johann Gottfried Galle）收到了一封改變天文學發展史的信件。那封信寄自法國天文學家勒威耶（Urbain Le Verrier），他花了兩年研究天王星運動，認為天王星的路徑無法用已知的重力效應來解釋，因此應該存在一個尚未觀測到的天體，其重力牽引擾動了天王星的軌道，才能精確解釋觀測到的異常結果。當天晚上，加勒將望遠鏡對著勒威耶指出的方向，竟發現了海王星。
今天，類似的情節正在現代宇宙學的舞台上演：天文學家觀測到異常的宇宙運動，推論應有新物質存在，並眺望蒼穹以追索其蹤影。我們看見恆星與星系以不尋常的方式運動，正如同天王星的角色；而就像海王星所扮演的角色，我們推論有迄今尚未觀測到的新物質存在，暫且稱之為暗物質與暗能量。我們可以從觀測到的異常型態得到它們的一些基本特性。暗物質似乎是一片由不可見粒子構成的汪洋，不平均地充斥於太空；暗能量則均勻散佈，好像被織進空間結構本體一樣。雖然科學家仍無法重複加勒的壯舉，以儀器指向太空，瞥見這些隱形演員的身影，但像在粒子偵測器內出現的光點這類誘人的端倪，則還在持續累積中。
因為作用於天王星的隱晦力量而被發現的海王星，如今已經被證實是一個迷人的世界。暗物質與暗能量是否也會如此呢？科學家越來越傾向認為暗物質並不僅僅是為了解釋可見物質的運動而設計出來的物質，它可能是宇宙不為人知的一面，擁有豐富的內在，或許是個名副其實的粒子動物園，以新穎的自然力交互作用，並且與我們的宇宙整個交織在一起。
以往認為暗物質與暗能量是宇宙裡最孤僻的物質，如今人們已不再堅持這樣的想法。1930年代天文學家首次推論有暗物質的存在，當時他們認為它是惰性的。天文觀測顯示它與一般物質的比例是6:1，星系與星系團都嵌在暗物質巨球中，稱為「暈」。天文學家推測如此大量的物質要避免被直接偵測到，它勢必是由鮮少與一般物質、甚至同類粒子作用的物質構成，而唯一的作用是為發光物質提供重力支柱。
天文學家認為暈形成於早期宇宙，吸引了可進行各種作用的一般物質，並且發展成複雜的結構，而遲鈍的暗物質則維持原始的狀態。至於暗能量的作用似乎僅止於加速宇宙的膨脹，現有的證據指出，在宇宙的整個歷史中，它始終保持不變。
對原子與次原子世界內在運作的詳細研究雖然不屬於天文學領域，卻使暗物質的前景更有趣了。粒子物理學家一向習慣從已知物質的行為中，尋找未知型態物質的蛛絲馬跡，而他們觀察到的證據向來和宇宙的運動完全無關。
從粒子物理看見暗物質
暗物質的想法起源於1900年代早期關於放射性β衰變的發現，當時義大利理論物理學家費米（Enrico Fermi）假設有新的自然作用力與傳遞該作用力的粒子，導致原子核衰變。這種新作用力類似電磁力，而新粒子類似光子，但本質上是不同的。光子因不具質量而可高速運動，但費米認為新粒子必須很重，它們的質量必須限制其作用範圍，以便解釋為何只有原子核會分裂，而其他東西則不受影響。要能複製出觀測到的放射性同位素之半衰期，它們的質量必須非常大——質子質量的100倍左右，如果以粒子物理的標準單位來計算，大約是1000億電子伏特。
我們現在將這種新作用力稱為弱核力，而傳遞新作用力的粒子是在1980年代發現的W與Z粒子。它們雖然不是暗物質，但其性質暗示了暗物質的特性。首先，它們不應如此之重，它們的大質量暗示有某種不為人知的粒子促使它們承擔質量，就像你身旁的朋友慫恿你再多吃一塊糕餅一樣。大型強子對撞機的目標之一就是尋找那些粒子，它們的質量應與W和Z粒子相當。的確，物理學家認為許多類型的粒子正等著被發現——在超對稱機制下，每一種已知的粒子都應有與之配對的粒子存在。
這些假設的粒子包括了某種統稱為「弱作用大質量粒子」（WIMP）的物質，這種粒子只和弱核力作用。因為不與主宰日常生活世界的電磁力作用，它們完全不可見，並且對一般粒子鮮少有直接的效應。所以，它們是暗物質的最佳候選者。
但它們是否真的能夠解釋暗物質，取決於它們的數量，這是這項粒子物理理論真正引人注目之處。就像其他種類的粒子一樣，WIMP也誕生於狂暴的大霹靂。當時的高能粒子碰撞既可產生、也能湮滅WIMP，使宇宙中一直維持有WIMP存在。WIMP的數量隨時間改變，取決於由宇宙膨脹所驅動的兩項效應。第一項是太初原湯的冷卻效應，降低了可供製造WIMP的能量，因而縮減了它們的數量。第二項效應是粒子稀釋，將碰撞並湮滅WIMP的頻率逐漸減低到不再發生為止，這大約發生於大霹靂後10奈秒，WIMP的數量就此凍結。宇宙不再有足夠的能量產生WIMP，物質的密度也不再足以湮滅它們。
有了WIMP的預期質量，以及支配它們湮滅頻率的作用強度之後，物理學家便能輕易計算出留存下來的WIMP數量。令人訝異的是，在預估質量與作用強度的誤差範圍內，此數目竟與解釋暗物質所需的數量吻合。這項驚人的一致性稱為「WIMP巧合」，由粒子物理的世紀謎團所誘發的粒子，漂亮地解釋了宇宙學的觀測。
同樣的線索也指出WIMP應該是不怎麼活躍的遲鈍粒子。概估一下，從你開始閱讀本文到現在，已有將近10億顆這種粒子通過你的身體了，而除非你真是鴻運當頭，否則根本不會發生任何可察覺的效應，每年可能只有一顆WIMP會與你身體細胞內的原子碰撞而積存入極少的能量。為了偵測這類事件，物理學家以粒子偵測器長期監測體積龐大的液體等物質，天文學家也在星系內搜尋突發的大量輻射釋放事件，因為這可能代表WIMP環繞時罕見的碰撞與湮滅。第三種找尋WIMP的方式，則是設法在實驗室裡合成它們。
※延伸閱讀：
‧以微中子看宇宙
‧宇宙能量正在流失?
【完整內容請見《科學人》2011年第107期1月號】
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