Deep Dive
Shownotes Transcript
Dark matter is thought to make up around a quarter of the universe, but so far it has eluded detection by all scientific instruments. Scientists know it must exist because of the ways galaxies move and it also explains the large-scale structure of the modern universe. But no-one knows what dark matter actually is.Scientists have been hunting for dark matter particles for decades, but have so far had no luck. At the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science, held recently in Denver, a new generation of researchers presented their latest tools, techniques and ideas to step up the search for this mysterious substance. Will they finally detect the undetectable? Host: Alok Jha, The Economist’s science and technology editor. Contributors: Don Lincoln, senior scientist at Fermi National Accelerator Laboratory; Christopher Karwin, a fellow at NASA’s Goddard Space Flight Center; Josef Aschbacher, boss of the European Space Agency; Michael Murra of Columbia University; Jodi Cooley, executive director of SNOLAB; Deborah Pinna of University of Wisconsin and CERN.Get a world of insights for 50% off—subscribe to Economist Podcasts+If you’re already a subscriber to The Economist, you’ll have full access to all our shows as part of your subscription. For more information about how to access Economist Podcasts+, please visit our FAQs page or watch our video explaining how to link your account.</context> <raw_text>0 您好，本期《巴贝奇》节目可免费收听。但如果您想每周收听，则需要成为《经济学人》的订阅者。详情请点击节目说明中的链接或在线搜索“经济学人播客”。现在是时候扩展您的Wi-Fi覆盖范围了，使用AT&T光纤和AllFi。当您使用AllFi成为一个“gilionaire”（此处应为“亿万富翁”之意，但原文为故意拼写错误的玩笑词）时，您的家中更多角落都能享受到Wi-Fi。那个可怕的地下室？
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我们所构成的物质，以及我们在地球上以及恒星上所能看到的一切其他物质，只占宇宙的约5%。宇宙的大部分，约70%，是由一种叫做暗能量的物质构成的，这种物质会使空间膨胀。其余的，约25%，是暗物质。
暗物质不发射光，因此无法看到。但我们知道，在过去的140亿年中，它在将恒星聚集在一起形成星系方面发挥了重要作用。它还负责我们今天看到的宇宙的大尺度结构。科学家们想知道这种物质是什么，因为理解它对于计算我们宇宙未来的大小和形状至关重要。
但是，尽管科学家们已经搜索了几十年，但到目前为止，他们一无所获。然而，新一代的研究人员带着新的仪器、技术和新想法正在加紧努力。你如何找到你看不见的东西？答案是发挥创意。我是Alok Jha，这是来自《经济学人》的《巴贝奇》节目。今天，我们将探讨寻找暗物质。
本周，我们来到科罗拉多州丹佛市，参加美国科学促进会（AAAS）的年度会议。这是世界上持续时间最长的科学聚会之一。第一次会议于1848年在费城举行，当时是为了让美国为数不多的科学家聚集在一起，分享他们的想法。
今年在丹佛，科学家们聚集在一起讨论从潜在的糖尿病治疗方法到生成式人工智能的各种影响等一切问题。但是，对于这个节目，我们想把目光转向天空。
好的，我要感谢大家来到这次关于如何寻找暗物质的会议。他们每个人都会发言。那是唐·林肯。他是美国费米国家加速器实验室（Fermilab）的高级科学家，该实验室是美国的旗舰粒子物理实验室。我在丹佛的会议上与他坐下来，了解暗物质被认为是什么以及我们如何真正知道它的存在。
暗物质是一个假设性的，或者至少是一个理论性的概念。它所做的是解决天文学问题。因此，当天文学家仰望夜空时，他们研究的事情之一是星系的旋转速度。他们发现，如果他们试图使用已知的物理定律来预测星系的旋转速度，它的旋转速度太快了。
如果它们旋转得太快，这是一个问题。还有其他问题。如果他们观察到相互束缚在一起的星系团，星系本身实际上不应该能够束缚在一起。它们应该飞散开来，但它们并没有。
这同样是一个谜。因此，有几个天文学谜团都让我们相信，要么我们不理解物理定律，要么存在看不见的物质，它产生的引力比我们看到的要大。如果存在某种物质能做到这一点，我们就有了一个名字。我们称之为暗物质。那么，你怀疑有多少暗物质呢？
通过观察天空，我们可以进行预测。看起来暗物质的数量大约是我们普通物质的五倍。因此，对于你在天空中看到的所有壮丽景象，暗物质要多得多。请解释一下，如果我们不知道它是什么，而且它不发光，因此被称为“暗”，我们怎么知道它在那里呢？
我们不知道它在那里，我们必须对此非常清楚。我们所知道的是，星系的旋转速度太快了。所以现在需要一个答案。答案要么是我们不理解物理学，而且有充分的理由相信我们确实理解物理学，
要么那里有一些我们看不见的东西。我们并不是没有寻找过。我们已经用无数种方法寻找暗物质很长时间了，但我们没有看到它。因此，在现在大约50年的时间里，我们得出结论，所有这些谜团的答案很可能是一种既不吸收也不发出光的物质形式，但它却对周围的事物施加引力。
天文学家发现，星系的边缘旋转速度太快，超出了我们可以在其中看到的质量。质量是维持星系凝聚在一起的引力的基础。如果没有足够的质量，恒星应该会飞出星系进入外太空。因此，理论认为，一定存在某种额外的物质，某种无形的胶水提供额外的引力，以确保星系凝聚在一起。
这就是暗物质。因此，暗物质存在的观点已经存在了几十年了。是的。请向我们介绍一下关于它可能是什么的理论是如何随着时间的推移而演变的。寻找暗物质是一个漫长的过程，因为当你想到可能存在一些我们看不见的东西时，
你有几种选择，其中一种是那里存在某种奇异物质。其中一个想法是存在一种粒子形式的物质，就像质子或中子一样，但与质子不同的是，质子会发出光，它只是一个小的、重的亚原子粒子。其想法是，太空中充满了这种亚原子粒子的气体。
如果我刚才说的是真的，那么你所有听众所在的房间里都有暗物质。暗物质就像风一样流过他们。因此，我们建造了粒子探测器来寻找暗物质，因为即使暗物质不经常相互作用，它也应该偶尔撞击原子，我们应该看到原子移动。
我们已经非常努力地寻找了。在40年的时间里，我们制造了越来越好、越来越灵敏的探测器，现在我们的探测能力比80年代提高了百万倍，但我们仍然没有看到它。所以这是我们寻找它的一个方法。我们寻找暗物质的另一种方法是观察太空，因为如果太空中存在暗物质，那么暗物质粒子可以相互作用并发出光。
熟悉的粒子。因此，我们寻找伽马射线。我们确实看到了它们。这种特定方法的问题在于，很难确定它是暗物质还是普通物质，例如中子星、脉冲星。所以你永远不确定。是的。
最后，我的同事们，我们拥有巨大的粒子加速器，我们让粒子相互碰撞，并试图产生暗物质，但我们仍然没有看到任何东西。因此，我们所做的是对暗物质可能是什么设定了重要的限制。
现在，我们绝没有穷尽所有可能性，因为还有其他想法认为暗物质粒子非常轻，需要用其他方法进行测试，我们也在研究这些方法。问题是暗物质可能质量的范围非常大，每一个都需要专门的技术来观察特定质量。
类型的暗物质。因此，我们正在慢慢地、稳步地逐一排除它们，并希望有一天，寻找暗物质的方法之一能够找到它。我想向大家介绍我们的演讲者。我们有克里斯托弗·卡林和西格诺达德·马萨。好的，今天我将向大家介绍间接暗物质搜索，特别是使用费米大型区域望远镜（FermiLAT）。
因此，我们可以从银河系的鸟瞰图开始。这是一个示意图。在这里地球上，我们距离银河系中心约8.5千秒差距。寻找暗物质的显而易见的地方是在太空中。这就是克里斯托弗·卡温专注于研究的地方。他是美国马里兰州美国宇航局戈达德太空飞行中心的成员。他的专长是寻找来自银河系中心的伽马射线。
我从事的是所谓的间接探测。基本思想是暗物质是由粒子构成的。粒子会做的事情，我们知道的事情是，粒子会相互作用并湮灭。当你说湮灭时，你指的是什么？所以它们会相互作用，然后变成其他粒子，变成光，变成其他东西。理论上预测，它们变成的东西之一是伽马射线。
因此，基本上，间接探测的整个想法是，对于任何给定的暗物质描述，在伽马射线天空中都存在一种非常有特点且独特的特征，你可以寻找这种特征。
这就是我们在这些间接搜索中所做的工作，即寻找这些特殊的“指纹”，如果你愿意的话，这是暗物质湮灭过程的指纹。因此，如果暗物质是粒子并且它们相互作用，
它们可能会湮灭，产生伽马辐射，这是非常高频的光。对。你可以探测到，因为我们本身无法探测到暗物质粒子。是的，没错。所以我们不是直接……
感知这种暗物质，而只是感知正在发生的相互作用的副产品。那么，你如何探测这些伽马射线呢？你使用的是什么仪器？是的，我使用一种仪器。它被称为费米大型区域望远镜（FermiLAT）。这是一个基于太空的仪器。它处于低地球轨道，并且
伽马射线与可见光有很多不同。你必须使用的方法是，它基本上就像在太空中有一个粒子探测器。因为这些光子的能量如此之高，你必须使用完全不同的方法才能探测到它们。这就是费米望远镜所做的。
那么，费米望远镜工作了多久，你们做了哪些工作来试图了解这些粒子的参数呢？费米望远镜于2008年发射升空，从那时起就一直在观测，它每天都能看到整个天空，所以我们拥有海量非常好的数据。
事实上，伽马射线来自许多不同的来源，许多不同的过程。因此，当你寻找暗物质时，你真的希望它是你看到的总伽马射线中的一小部分。就自费米LAT发射以来收集的数据而言，你们做了哪些工作来更好地了解暗物质？
对。现在费米望远镜的情况非常有趣，而且很长时间以来都是如此。因此，在早期，就在它发射升空的时候，有报告称来自我们银河系中心的一个过量信号，看起来有点像我们预期暗物质的样子。你很兴奋。所以科学界非常兴奋。当然，人们也非常谨慎。因此，从那时起，直到今天，这仍然是一个争论的问题。
我们看到的信号的这些特征有点像我们对暗物质的预期。但问题是，暗物质并非唯一可能性。因此，另一种主要的可能性是，这个信号可能来自一个未分辨的点源群，称为毫秒脉冲星。脉冲星是一颗旋转的恒星，对吗？它是一颗旋转的中子星。没错。是的，是的。它可以产生伽马射线。
正因为如此，直到今天，信号的性质仍然不清楚。再说一次，这真的很复杂，因为我们正在朝银河系中心看去。当你朝那个方向看时，你实际看到的绝大部分发射都来自非常高能粒子的相互作用产生的弥漫发射。所以基本上，这些粒子与星系中的气体和光相互作用，最终产生伽马射线。
你正在寻找一个非常低、非常微弱的信号。所以首先你必须消除所有背景。这非常具有挑战性。但尽管如此，人们还是倾向于同意一些事情。其中之一是这个信号确实存在。它不仅仅是，你知道的，也许是一个小组做错了什么之类的事情。但是人们并不真正认同的是信号的解释或性质。那么，太空中下一代仪器将会做什么呢？费米望远镜一直在做的事情，例如获取更好的数据等等？
好吧，对于伽马射线来说，这现在是科学界的一个大问题。因此，下一个伽马射线望远镜实际上正在开发中。它被称为COSY。因此，COSY实际上将在费米望远镜观测的能量范围以下进行观测。这非常令人兴奋。实际上，我最近主要从事的工作就是这个。因此，COSY将是一个基于太空的仪器，计划于2027年发射。
它还将能够寻找暗物质的许多不同的有趣特征。它还将帮助我们更好地约束我们必须处理的背景。
所以这是正在开发的下一个伽马射线仪器。这是一个美国宇航局的任务。但是，作为一个群体，我们真的非常努力地试图获得下一个仪器。我们希望拥有一个大型伽马射线仪器。对于暗物质的情况，你知道的，我们想要一些东西，也许我们可以获得非常高的角分辨率，以便更好地观察银河系中心，以便也许能够分辨出一些点源。
寻找暗物质的伽马射线指纹并不是科学家们在地球以外寻找暗物质的唯一方法。2023年7月，欧洲航天局与美国宇航局合作发射了一个名为“欧几里得”的观测站。“欧几里得”号航天器分离已确认。
“欧几里得”号正在测量不可测量的东西。这是欧洲航天局局长约瑟夫·阿施巴赫，我们在“欧几里得”号发射几个月后与他进行了交谈。我们今天无法直接测量暗能量和暗物质。但“欧几里得”号应该真正成为提供宇宙三维地图的任务，追溯到大约100亿年前，绘制我们宇宙的大部分区域，从而真正更好地了解宇宙是如何构建的。
组成的，它如何随着时间的推移而发展，因此可以对暗能量和暗物质做出一些结论。我很确定，“欧几里得”号的测量结果将产生许多诺贝尔奖获得者，因为我们从中获得的知识将是基础性的。当然，我无法告诉你它是什么，因为我们还没有进行测量，但我真的期待这些测量结果。
“欧几里得”探测器将旨在创建一个宇宙三分之一的三维地图。通过了解外太空的几何形状，它希望对暗物质可能是什么施加约束。
但这些基于太空的任务不太可能单独找到暗物质的决定性证据。我一直认为寻找暗物质的人必须是宇宙中最乐观的人，因为你知道，我们一直在找不到它，但我们仍然认为它就在眼前。我们确实对我们认为它可能是什么、我们认为它如何相互作用以及它可能有多大有一些了解，但最终我们还没有找到它。这意味着我们需要在各个地方进行搜索，如果你愿意的话。
正如物理学家乔迪·库利将要解释的那样，在各个地方进行搜索包括在地球表面以下数千米的地方进行搜索。她将告诉我们为什么。但在我们深入地下之前，只是快速提醒一下，您正在收听《巴贝奇》节目的免费剧集。要每周享受我们的内容并收听我们所有其他屡获殊荣的专业每周播客，您需要成为订阅者。
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访问Safeway.com或前往店内了解更多优惠。到目前为止，在我们寻找暗物质的过程中，我们已经凝视着夜空。但是这些基于太空的方法只能找到暗物质的间接证据。为了找到更直接的证据，科学家需要找到在地球上观察暗物质的方法。
他们试图做到这一点的一种方法是深入地下。SNOLAB是我在全世界最喜欢的地方之一。乔迪·库利是加拿大安大略省SNOLAB的执行董事。这是一个专门研究不断流经地球的亚原子粒子的实验室，包括他们希望找到的暗物质。该实验室位于地下两公里处。
这是一个5000平方米的洁净室科学实验室。为了到达实验室，你首先要乘坐矿井升降机。它位于安大略省北部的活跃镍矿中。所以你乘坐这个两公里的升降机与矿工一起下去。然后你步行1.5公里到达实验室。
然后你到达实验室，你进去，就像我说的，这是一个洁净室。矿井非常脏。因此，你早上到达实验室后首先要做的事情就是淋浴，然后穿上你的洁净室服装。它充满了实验。我们一半的实验实际上是在寻找暗物质。好的，暗物质位于宇宙中发光恒星之间，当你仰望夜空时。你为什么在地下两公里或三公里处寻找它？这是一个好问题。
这是一个很好的问题。我们今天知道的是，我们的星系周围有一个暗物质晕，而且它非常广泛。那里存在某种不发光的粒子，增加了额外的引力，增加了额外的粘合剂，这样星系才能凝聚在一起。因此，由于地球绕太阳旋转，而我们的太阳在星系中正朝着天鹅座方向移动，我们实际上一直在穿过暗物质。
因此，如果我们在地球上建造一个探测器，我们希望能看到暗物质在这些探测器中相互作用。我们必须把它们放在地下的原因是，在地球表面，我们不断受到宇宙射线的轰击。因此，这些宇宙射线对暗物质探测器来说是一个巨大的障碍。因此，我们使用地球作为过滤器。
所以你在地下，其想法是宇宙射线和这些宇宙射线的子粒子在很大程度上被过滤掉了。那么，在你的探测器中，你寻找的是什么作为暗物质粒子存在的标志呢？这实际上是我最喜欢在SNOLAB工作的事情，那就是我们不仅仅有一个暗物质探测器。我们有一整套。
每一个都略有不同。但总的来说，每个探测器中都有一些目标，无论是锗探测器还是硅探测器，或者是在我们的一些气泡室实验中使用的某种超流体，或者实际上是一个CCD探测器。
探测器。因此，CCD代表电荷耦合器件。本质上，这是一小块硅。它就像你相机中用来拍照的硬件一样。因此，当带电粒子穿过CCD时，它们会在本质上留下少量电荷沉积，这些电荷可以被读出。然后我们可以确定它是什么样的粒子，并试图确定它是否与暗物质一致。
我刚才谈到的一些探测器会闪烁。闪烁的意思是，当粒子穿过探测器介质时，它会发出光。因此，你可以用各种不同类型的探测器读取从粒子穿过材料时发出的这种光。
然后，探测器的技术，取决于它是哪一种，会读出该能量以确定它是否是暗物质粒子，或者是否是这些背景粒子之一。这将是一个非常罕见的事件。它非常非常罕见。因为暗物质的定义是它不与普通物质相互作用。对。所以我们知道自然界中有四种力。所以你有引力。这就是让你停留在地球上的力。
你有电磁力，我一直喜欢告诉我的学生，这是阻止我们穿过地球的原因，因为这是你的鞋子和地板之间的排斥力。
你还有强力。强力是将原子的中心，原子核结合在一起的力。如果你考虑一下，那么电磁力表示相反的粒子相互吸引，相同的电荷相互排斥。如果你考虑一个原子核，当你到达较重的元素时，你可以在该原子核中包含多个质子，它们都带有正电荷。
电磁力会试图将这些质子推开。强力使它们结合在一起。然后是弱力，这就是允许放射性衰变的力。这实际上是我们认为暗物质相互作用的力。正如你所看到的，弱力让你感觉它不是最强的力。它是一种更罕见发生的力。但我们有很多弱力的模型
可能是暗物质的不同候选者，它们将通过这种弱力相互作用。那么搜索进展如何？你正在寻找的参数空间是什么，或者你只需要等待，因为这些相互作用非常罕见，你只需要收集大量数据并查看统计数据，这就是你如何做的吗？是的，我们在排除暗物质不可能是什么方面取得了巨大进展。
所以我喜欢用寻找暗物质来打个比方，就像寻找你丢失的钥匙一样。好的，你丢了钥匙。你会怎么做？你会系统地考虑逐个房间地检查你的房子，寻找它们可能在哪里，并排除它。然后你搜索房子的时间越长，这些钥匙可能存在的空间就越小。
所以我们在暗物质方面的问题是我们的房子太大了。我们已经排除了很多房间，但我们仍然有很多房间需要查看。是的，是的。好吧，关于钥匙的事情是它总是在你的口袋里。所以在这种情况下，我可以给出这样的建议。SNOLAB并不是唯一一个在地球表面以下深处寻找暗物质的设施。
在意大利中部格兰萨索山脉下方是氙气实验，这是一个以巨大的极冷、极致密的液态氙气罐为中心的暗物质探测器。我从事的是直接暗物质探测领域。迈克尔·穆拉是哥伦比亚大学的物理学家。所以其想法是，如果我们只找到一种能够
以某种方式与暗物质相互作用的材料，暗物质与该材料相互作用并通过在该粒子上沉积能量来产生某种特征，那么我们希望在我们的探测器中看到这种微弱的特征，基本上就是这样。所以暗物质，根据定义……
它不发光，它不产生任何光。所以你希望它能以某种方式与真实物质相互作用。那么，请向我描述一下你的实验。所以你不能把它放在地球上。不幸的是，问题在于，如果你进行一些数学计算，你可以计算出你可能只期望你的探测器每年有5到10个事件。
所以问题是，如果你把探测器放在地球表面，你就会有宇宙射线，例如μ子，例如电子的重兄弟。所以如果你看看你的拇指，然后看看你的指甲，每秒钟就会有一个μ子穿过你的拇指。所以你可以想象，如果这就像每秒钟在我的指甲上一次。一年中，你会在你的探测器中看到多少信号，数百万、数十亿个信号。你必须找到一个特定的信号通过。
所以你会得到很多误报。没错。你会得到很多背景事件。我们称之为背景。我们的实验，氙气实验，位于意大利中部，靠近罗马。那么它究竟是什么样子，它是由什么构成的呢？在探测器的中心，你有一个液态氙气的核心。我们把它放在探测器中。然后当它被暗物质粒子击中时，它可以产生闪烁。
闪烁光，所以它会产生光子，它还会产生自由电子。然后我们做的就是我们有光传感器能够探测氙气光
我们称之为S1信号。非常有创意。对于电子来说，它们通常会复合并丢失。但我们做了一个巧妙的技巧。所以我们在探测器中施加一个电场。然后电场使电子在探测器中向上漂移。在最顶部，有一层非常薄的几毫米厚的氙气。这些电子与氙气的气体原子发生大量散射，并再次产生闪烁光。所以它们会产生第二个光信号，然后可以再次探测到。
然后你测量S1和S2（第二个信号）之间的时间，你可以知道深度
因此，您在探测器中获得了完全的3D重建，这使得您可以选择探测器中的位置进行分析。所以您描述的潜在暗物质粒子的机制，如果它们存在，现在有无数个这样的粒子穿过地球，但偶尔，非常罕见地，它们会与氙的巨大原子核相互作用。对，没错。氙是一种惰性气体，所以它不会与任何东西发生反应。
没错，这也是优点之一。所以想法是，这个粒子会以某种方式与这个原子核相互作用并产生光，这在探测中是可以检测到的。你对它的描述非常好。我假设这还没有发生，否则我们早就知道了。是的，没错。你的工作就是将这些东西与背景区分开来。没错。如何……
氙与正在进行的其它探测暗物质的全球实验如何契合？对。你是指氙实验吗？是的，氙实验。当然，它们都是互补的。所有这些不同的搜索，它们都在寻找暗物质与氙的不同类型的相互作用。所以你们正在研究参数空间的不同部分。对，没错。你可以这样说。
那么，你们正在寻找的暗物质粒子的能量水平是多少？我们正在寻找WIMP，即弱相互作用大质量粒子。能量范围约为1 GeV到1000 GeV。一个质子的能量约为1 GeV。所以它的质量在低端约为一个氢原子，在高端约为几个铅原子，让我们说质量范围。
尽管Jodie Cooley解释说，科学家们已经在建造升级设备，但这些在地下进行的直接寻找暗物质的搜索仍然很有希望。
现在我们实际上有许多正在建设中的暗物质实验。可能我个人最兴奋的一个实验，因为我实际上在我的职业生涯中投入了大量时间，是一个叫做SuperCDMS的实验。这些是硅和锗探测器。它们大约有冰球那么大。其想法是，当一个粒子穿过并与这些探测器中的一个原子核相互作用时，探测器就会开始振动。
我应该指出的是，这实际上是理解这一点的关键点，那就是我们把这些探测器保持非常冷。而非常冷的意思是接近绝对零度。我们的工作温度大约是20毫开尔文。
所以这真的很、很冷。这比绝对零度只高出非常、非常小的量。非常小。所以绝对零度是零下273摄氏度。所以你晶体中的晶格非常、非常冷。结构，它非常静止。
因此，当一个粒子进入并与原子核相互作用时，整个晶体就开始振动。我们测量这些振动，以便试图确定该粒子可能是暗物质，或者该粒子可能只是我们已经知道的普通物质。你描述的温度比外太空还冷，不是吗？哦，是的。
因为外太空是3开尔文。是的，你说得对。所以它比宇宙微波背景中的光子还要冷，那些光子来自大爆炸。我以前从未想过这一点。所以Super CDMS会寻找特定的质量，不是吗？是的。这与之前的实验不同。告诉我们这方面的情况。Super CDMS正在寻找质量为……
大约小于10 GeV的粒子。与其他技术相比，这是它最敏感的地方。为了让你了解这是什么，一个质子的质量是1 GeV。所以基本上，我们正在寻找一些东西，它的质量可能是质子质量的10倍，但是
但也可能只有质子质量的百分之一。所以它实际上仍然是一个相当大的范围，但与……相比，它实际上是一个相当小的范围。外面的东西。没错。而之前的其他实验实际上一直在寻找质量大得多的暗物质粒子。是的，他们一直在寻找质量大于10 GeV的粒子，
所以我们所说的许多直接探测，即那些在地球上寻找我们自己星系中暗物质的探测，它们通常寻找的质量高达100或1 TeV。那就是质子质量的1000倍。然后那些在太空中寻找的，我的意思是，它们高达10 TeV甚至更多。所以真的很多。如果你用Super CDMS寻找一部分，
对于那些可能与质子质量或该数量级相当的粒子，这不会让你的生活变得更加艰难吗？会的。因为它们的相互作用会少得多，对吧？所以我不喜欢暴露年龄，但是……
当我开始从事这项工作时，我是一个名为CDMS2的实验的博士后，这是我们实验的第二代。这应该是在2000年代初期。当时，我们想，“不可能以这样的方式运行这些探测器，以便寻找低于20 GeVMS的东西。”
我们只是觉得，那是痴人说梦。永远不要预测未来。而现在，我知道，这太神奇了。探测器技术发展得如此之快。我认为，这正是科学令人兴奋的事情之一，你永远不知道你会做什么，以及下一代进入该项目的人们会有什么想法，他们扩展分析、改进探测器的方法。我认为这就是使科学如此令人兴奋的部分原因。♪
但是，如果在太空进行的暗物质间接搜索和在地下进行的直接搜索都没有产生任何结果怎么办？幸运的是，物理学家正在追求另一种方法。如果你找不到已经存在的暗物质粒子，为什么不尝试制造它们呢？
所以现在我们玩一个小游戏，对吧？我们想对暗物质在这种碰撞中如何产生做出一些假设。所以我们玩这个猜猜看游戏。我们必须了解我们的对手有什么牌。那么，你赢得这场比赛的策略是什么？
Deborah Pinner是威斯康星大学的物理学家。她还在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）工作，那里拥有世界上最大、最强大的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）。我开始读博士是在2013年，如果你想想前一年，CERN发现了X玻色子。所以这确实是我们理解自然界中缺失的部分之一。
在那之后，我们必须在那里窃取数据。那么，我们可以在LAC发现的下一个难题是什么？暗物质就是其中之一。所以实际上没有人认为我们可以寻找暗物质对撞机，但这种可能性后来变成了现实。所以我开始做这个，我发现它非常有趣，因为你可以认为LAC是一种望远镜，可以
看看我们如何产生暗物质。我认为这很酷。我听说过大型强子对撞机（LHC）被描述为显微镜，你非常仔细地观察原子内部的东西。这就是我们之前在这个播客中多次谈论的内容。我们去过大型强子对撞机，并与那里的物理学家谈论过，你知道，粒子物理标准模型之外的东西是什么？一切都是由什么构成的？
所以我对你所说的它也是望远镜感到很感兴趣。那么，你究竟如何在像粒子加速器这样的东西中寻找暗物质呢？我的意思是，暗物质应该存在于我们周围和宇宙中。那么粒子加速器参与其中做什么呢？好吧，实际上，很酷的是，我们可能会产生暗物质。所以我们不是在寻找宇宙中已经存在的东西，而是我们可能会产生暗物质。而且暗物质非常具有挑战性。目前，我们只知道它与引力相互作用。
所以这对对撞机来说非常具有挑战性。所以我们通常说，我们通过可见物看到不可见物，因为我们必须非常精确地测量碰撞中所有可见的粒子，以便了解是否有东西逃出了我们的探测器。那么，让我们谈谈你通常如何在LHC的探测器中进行探测。你让质子绕着加速器环运行，然后它们发生碰撞。
它们猛烈撞击在一起，其想法是，你寻找内部的东西，并且涉及大量的能量
所以，通常情况下，你如何将这团能量解释为粒子？然后，具体来说，你如何在其中寻找暗物质粒子？所以基本上我们尝试的是拍摄这些相互作用的“照片”。当然，有很多。所以首先，我们必须做到……这是一个混乱，不是吗？是的，你有很多。所以这是一个非常、非常繁忙的环境。所以首先，你尝试选择并只选择那些可能对你想看的东西感兴趣的图片。
然后，我们的探测器中不同的部分帮助我们区分产生的粒子。所以这些粒子会留下某种能量，它们会以不同的方式与这些探测器相互作用，然后根据这些信息，我们可以重建，好吧，这里有一个粒子以这种能量或这种轨迹通过，
一旦你有了所有这些信息，你就可以进行计算，将你从探测器中测量的所有能量加起来，也许你会看到，好吧，但这并不守恒。所以这是一个暗示，一个没有与你的探测器相互作用的粒子在那里。所以你可以推断出来。所以你没有直接看到，
但你可以从能量的不守恒中看到它的存在。所以当你说用不可见物来观察可见物时，你的意思是说你必须把碰撞中产生的所有粒子和它们的能量加起来，如果它与碰撞质子的输入能量不匹配，
那么你就知道有些事情有点不对劲。没错。如果你想想，这非常具有挑战性，因为它不仅仅是通过可见物来观察不可见物，而且可见物需要非常精确地测量，否则你也可以说，哦，也许我没有测量好，这就是为什么总和加不起来。但是我们可以在对撞机和我们的探测器中达到这种精度水平，来说，好吧，有些东西产生了，但它只是走了出去，没有给我们留下任何信息。
所以你正在寻找那些不太合适的东西，基本上，你希望并祈祷你无法解释它。我的意思是，这基本上就是正在发生的事情，对吧？所以一旦它符合其他东西，我猜想每次都会令人失望。好吧，这令人失望，但我认为这也不算失败，因为我们对暗物质的信息太少了。所以即使知道什么不是，我认为这也是非常有价值的信息。它减少了你不需要再搜索的空间。没错，因为到目前为止我们知道
暗物质与引力相互作用，但我们不知道它的性质。它如何相互作用等等？
这就像一个非常巨大的可能性空间，即使减少了这一点，并且知道，好吧，这不是正确的方向，但是好吧，我已经排除了这一点，所以现在我可以朝另一个方向前进。我发现这是一个非常、非常有价值的信息。所以会有失望，因为当然，每个人都想找到一些新的东西，但我认为它仍然具有非常重要的价值。这就是为什么我们进行所有这些类型的搜索。
寻找暗物质已经进行了数十年。有这么多地方可以寻找，无论是宇宙中近乎无限的物理空间，还是亚原子世界中巨大的能量范围，没有人认为找到这种神秘的物质形式会很容易。然而，对于那些将自己的职业生涯奉献于此的科学家来说，有时可能会感到沮丧。
在我离开丹佛的会议之前，我问我们的嘉宾是什么让他们在搜索中保持动力，尽管他们不知道何时或是否会找到答案。当人们问暗物质的价值是什么时，这总是很棘手的问题。因为毕竟，现实地说，研究黑洞不会改变我的生活。它不会
给我买一辆更好的车或任何类似的东西。那是唐·林肯再次说的。但事实是，如果你看看人类最早的书面记录，我们天生就对宇宙是如何形成的、自然规律感到好奇，对天空着迷。所以这些研究所做的是，它们满足了人类一种根深蒂固的、几乎是原始的需求，即了解我们周围的世界。
从某种意义上说，寻找暗物质和其他东西
宇宙学或天文学的东西实际上只是科学家们一个多世纪旅程的下一步，他们能够越来越好地理解宇宙。我个人只是很遗憾我不会活着看到它的结束。你永远不知道。但总会有新的谜团，无论是什么。即使有人明天弄清楚了暗物质，我们也必须详细研究它，我们会发现我们并不完全理解它。
而令人悲伤的事实是，理解宇宙是人类数千年的旅程。所以我们每个人能做的最好的事情就是在这个知识大厦中添加一块小石头。鉴于你对这个主题的了解，你认为我们什么时候会发现暗物质呢？哦，这很难预测。试一试。是的，我不知道，也许在未来10年。
迈克尔·穆拉再次说道。也许下一代，也许我们很幸运。当然，我们正在寻找这个WIMP，但也许它完全是不同的东西。并且有许多不同的实验。我认为如果我们真的想理解它，我们就必须继续努力。
也许我们的实验可能是幸运的一个，并找到它，或者也许是其他人。好吧，诺贝尔奖在等着某人。是的，绝对的。绝对的。是的。潜在暗物质候选者的参数空间是如此之大，对吧？它从我们可以想象到的最小的能量一直延伸到几乎是黑洞大小的物质，对吧？所以在参数方面，这太疯狂了。
参数空间。所以我们必须从某个地方开始，我们必须寻找有希望的理论，我认为即使是排除大部分参数空间来确定它可能是什么，我认为这与找到它一样重要。好吧，我从不预测未来，但我现在要让你预测未来。你认为我们什么时候会发现暗物质呢？哦，天哪。
我真的希望在未来十年。这比许多人认为的要早。也许我应该说二十年。那是Jodie Cooley再次说的。所以问题是，我们是按照科学家的时间尺度还是按照我们资助机构的时间尺度工作？如果按照科学家的时间尺度，我说十年。如果按照资助机构的时间尺度，也许是二十年。在未来十年中，我们在这种较低质量范围（低于10 GeV的范围）的搜索中将取得巨大进展。
不幸的是，为了在10 GeV以上取得更大的进展，我们真的需要进行下一代实验。所以是第三代暗物质实验。这将需要很长时间。这些实验现在规模巨大，因为容易的空间已经可用。
已经被搜索过了。所以现在你只剩下难以到达的空间了。所以你必须建造这些巨大的实验，这需要国际合作。这需要拥有许多不同专业知识的人，而且构建它需要时间。组织资金需要时间。克服你随着规模扩大而面临的一些技术挑战需要时间。但我对未来一到二十年真的感觉很好。
好吧，我们将在大约十年后回来看看我们的科学家是否正确。这就是我们所有的内容。感谢Don Lincoln、Christopher Carwin、Michael Murrah、Jodie Cooley和Deborah Pinner。感谢您收听本期Babbage的免费节目。在线搜索Economist播客以订阅并每周收听我们。Babbage由Jason Hoskin制作，Nico Rofast负责混音和声音设计。执行制片人是Marguerite Howell。
我是Alok Jha，在丹佛，这是经济学人。
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