这是科学界缺失的最大一块拼图：我们能观测到的物质，仅占所有物质的百分之五。本文所讲述的，是史诗般的暗物质搜寻之旅。
位于加拿大安大略省的SNOLAB实验室
加拿大有一座独特的矿井，名为克雷顿矿。它位于安大略省萨德伯里郊外的森林。在那里，好奇的熊类常常出没，到人们后院觅食覆盆子。矿工们头戴蓝色安全帽，前往地下开采镍矿。他们在漆黑之中，踏入半开半合的升降机，颤颤巍巍地下探到空旷的洞穴内；和他们同行的，还有另一群头戴橙色安全帽的人。这些人的目的截然不同，他们要开采的，是一片虚空。
至少到目前为止，还是一片虚空。
他们是一群物理学家，供职于巨型地下实验室SNOLAB。其深度达2公里，能摞下四个半帝国大厦。SNOLAB的探测器巡视整个宇宙，搜寻一种稍纵即逝的东西：暗物质。人们相信，宇宙中绝大部分物质都由它构成。
这是一场宏大的搜索，但截至目前，我们依然一无所获。
眼下，在宇宙所有物质中，我们能探测到的仅占区区5%，它们构成了所有的星系、恒星、行星、黑洞、类星体、脉冲星、中微子——以及人类和其他所有地球生命。除去它们，其余都是未知的东西：暗物质（25%），乃至更加神秘的暗能量（70%）。我们能观察到暗物质对恒星和星系的引力作用，但经过百般尝试，就是无法用任何仪器，捕捉到它的“暗”粒子。
挠一个宏大的“痒”
为什么要费力捕捉？诚然，我们无法使用暗物质，制造出新一代的宇宙智能手机，也不能用它点石成金。但通过观察暗物质，我们或许能够理解：星系何以聚而不散——以我们观测得到的原子物质来看，它们早该分崩离析了。毕竟，我们所处的银河系，据信就窝在一大片暗物质之中，那就是所谓的暗物质晕。
寻找暗物质还有助于解释深空观测中的光学错觉——即在望远镜观测结果中，一些星系带有奇怪的光弧或光环。研究人员说，这些星系的前景中，有一大团暗物质，其作用相当于巨大的引力透镜，扭曲了来自星系的光，并放大了星系的成像。这种现象被称为引力透镜效应。
简而言之，科学家搜寻暗物质，是为了挠痒——一个宏大的痒。“夜深人静时，你久久不能入睡，思索着‘这一切究竟意味着啥？’就是这样一种痒。”德国弗赖堡大学的实验物理学家丹尼尔·科德雷（DanielCoderre）说。
研究人员乘坐升降机，下到2千米深处，再在矿井中徒步穿行1.4公里，才能抵达SNOLAB实验室。
“没有结果”不等于一无所获
乔·沃尔丁（JoeWalding）是伦敦大学皇家霍洛威学院的一名物理学家，常去SNOLAB工作。他踏入上下两层的升降机，下探过程需要约六分钟，而且不适合胆小人士：升降机内没有照明，伸手不见五指；顶部是半开放式的，下探过程伴随剧烈的摇晃和撞击，晕厥现象时有发生。“胳膊自然是不能伸出去的，不然会折断。”沃尔丁半开玩笑地说。
他心情不错——这阵子，这里很多物理学家都是如此：今年5月，SNOLAB的科学家接到一则好消息。美国能源部已经批准向该实验室（于年启动）拨款，用于建造全新的暗物质实验探测器，定于年启动运行。这个超敏感的SuperCDMS将耗资万美元，其性能超过该领域任何探测器。它的任务，是发现其他任何探测器都未发现的东西——是不是有些艰巨？
自70年代以来，大把大把的金钱砸入暗物质实验，不论是在太空，还是地下。经过数不尽的挑灯夜算，以及铺天盖地的媒体报道，研究人员始终两手空空。除SNOLAB之外，我们还有LUX实验，它地处美国南达科他州，在一座废弃的地下金矿内，距地面1.6公里，但至今一无所获。法国还有EDELWEISS实验，在阿尔卑斯山下，位于1.7公里的岩石下方，同样毫无进展。
中国有PandaX实验，位于贵州锦屏地下实验室，但也没有找到任何粒子。去年，印度的贾杜戈拉地下科学实验室启动，距地面米，在一座运营中的铀矿内。目前也是毫无收获（毕竟只找了一年）。如此种种，不一而足。
盛行的理论是，构成暗物质的粒子只通过引力——即施加引力——与普通原子物质或光，产生相互作用。SuperCDMS所要寻找的，是这种奇特粒子中的一类：大质量弱相互作用粒子（WIMP）。这是最主要的暗物质候选粒子（也有说是可能性最大的粒子），是多个探测器搜寻的对象。为了创造这些粒子，科学家甚至动用了世界上规模最大、性能最强的粒子加速器：位于日内瓦附近的大型强子对撞机（建造成本近70亿美元）。但也是徒劳无获。
寻找一种未知的事物，虽然一无所获，但还是能要到经费，继续竹篮打水——这样的情况还能维系多久？其实，对毕生追寻暗物质的研究人员来说，“没有结果”的重要性丝毫不亚于有所发现。
“唯一的区别在于：找到了暗物质，你能得诺贝尔奖；但与之同等重要的，是限定暗物质存在的区间。”意大利国家核物理研究所的物理学家沃尔特·富尔吉奥内（WalterFulgione）说。因为，将这个界限不断收紧，就能排除看似可行的假说，缩窄搜索范围。毕竟，年，爱因斯坦就预言了引力波，但探测它用了一个世纪；希格斯玻色子也是历经近半个世纪，才被大型强子对撞机捕获。
研究人员清楚自己在寻找什么，经过年复一年的一无所获，他们得以收紧搜索范围。“这场游戏的玩法，就是通过日积月累，稳步推进，慢慢缩减可能的模型范围。”美国费米国家加速器实验室（FNAL）的天体物理学家丹·胡珀（DanHooper）说。
阿维·勒布（AviLoeb）是哈佛大学的一名天文学家，他将科学描述为“一座知识的孤岛，四面被无知的海洋所围绕。”在一片沙漠中，要找到一头狮子，你可以不断扩大没有狮子的区域，使剩下区域不断缩小，最终锁定狮子的足迹，他说。但这样做的前提，是你知道沙漠里有狮子。好在，多数研究人员都认为，和沙漠之狮一样，暗物质是存在的，它就在某个地方。
子弹星团由两个相互撞击的星系团构成，呈现出暗物质存在的证据。
升降机砸到克雷顿矿的井底，经过一顿窜，总算停稳当了。要抵达SNOLAB，研究人员还得穿越近两公里黑暗、狭窄的隧道，从镍矿矿工和采矿设备旁，小心地绕行。
但他们要留意的，还不只是采矿作业。在地面上，矿井周围常有熊出没。一次，一名研究人员出外吸烟，突然跟三头未成年黑熊打了个照面。一头熊还把头凑到了他的膝盖旁。“他一回来，就猛喝酒压惊。”回忆起当时的场景，沃尔丁忍不住笑了。
这座镍矿启动于上世纪20年代，但物理实验室年才成立。之所以选在地下深处，不是因为地面上空间不够，而是为了屏蔽宇宙射线的高能粒子，以免高灵敏度的探测器受到干扰。这些粒子通常是质子，来自宇宙中的遥远角落，到地球大气层中，化成其他无数粒子，散落下来，每时每刻，我们都接受着它们的洗礼。“我们尤其担心的是介子，它们会跟探测器周边的物质发生反应，形成中子，跟暗物质信号混淆。”科德雷说。不过，厚厚的岩层可以拦截它们，消去这一背景噪音。
虽然SNOLAB（以及别处）的暗物质搜寻至今无果，但在克雷顿矿的帮助下，有一位科学家——阿瑟·麦克唐纳（ArthurMcDonald）——凭借中微子研究，荣获了年诺贝尔物理学奖。
中微子是一种幽灵般的粒子，几乎没有质量。在超新星爆发等激变发生时，恒星的内核会产生中微子，但地球上也会产生中微子。就像暗物质一样，曾经的它也只是存在于理论中，最早提出于年；历经26年，第一颗中微子才被探测到。
为容纳SuperCDMS，实验室将进行升级，增加供电、照明和制冷能力。新的实验装置将包含一个固态锗硅探测器，被冷却到极端低温，跟绝对零度只差丝毫。探测器将由胶囊式的外壳包裹，投入一个水箱，这些水也是一种屏障，可以削减矿井射线的背景噪音。装置的很多组件将在地面实验室组装并测试，包括费米实验室、SLAC国家加速器实验室和西北太平洋国家实验室（PNNL）等地，但最后组装将在地下进行，由SNOLAB完成。
要是SuperCDMS还是毫无斩获呢？同一座矿井中，还有其他一些实验，比如DEAP-实验，它的技术略有不同，即使用惰性气体氩气，探测WIMP粒子。沃尔丁就从事于这项实验。在新实验开展的同时，这些探测器将继续搜索WIMP。
但对科德雷而言，围绕暗物质理论，“没有结果”反而提供了一种重要的反馈，迫使理论作出调整。“一无所获固然令人失望，但搜寻一种全新的东西就是这样，这是你必须接受的一种结果。”他说，“暗物质问题存在一个正确答案，现在，这个答案隐藏起来了，而我们正在尽全力找到它。”
这意味着多条“战线”同时出击。在废弃和正在运营的矿井中，在大山深处，在太空之中——很多实验都在搜寻WIMP。真正的关键，在于跨越几十年的稳步积累，慢慢缩小暗物质可能模型的范畴。
“SuperCDMS很可能在它的这条战线上取得扎实的进展。”胡珀说。他还表示，新探测器将聚焦一个新的WIMP质量区间，比其他探测器假设的质量要轻很多。尽管其他实验失败了，但SNOLAB未来实验的胜算并不会因此降低，因为它可以缩小暗物质候选粒子的区间。
当今最灵敏的暗物质探测器
鉴于SuperCDMS还处于规划阶段，我们不妨将视线转向意大利。
在距罗马一小时车程的亚平宁山脉之下，科学家历经几十载，一直在猎寻暗物质。他们的暗物质探测器位于拉奎拉市附近。为抵达实验室，你要进入一条10公里的隧道，开上七分钟，直抵最高峰大萨索山的底部。在一个特殊出口拐出，按一个按钮，再用意大利语向门卫自报家门，接着，两扇巨大的金属门缓缓开启，空旷的洞穴展现在你眼前，那就是大萨索山国家实验室——这里坐落着当今世界最灵敏的暗物质探测器——XENON1T。
实验室成立于年，头二十年里，主要研究对象是中微子和宇宙射线。年，第一台探测器XENON10启动。此后，它一路升级到XENON，如今已是XENON1T，试图捕捉WIMP与普通物质的相互作用。
实验室的地下空间硕大无朋，分成三个“大厅”，每个长约米，宽20米，高18米。XENON1T就处在其中一个。每个大厅都有自己的实验，所有实验加起来有18项。它们涉及各种课题，从探测太阳中微子，到探究太阳内部，到试图捕捉马约拉纳费米子（一种假想粒子）的世界最大探测器。约有名研究人员供职于该实验室，他们来自32个国家。
在暗物质大厅，最大的架构是一个直径10米、高11米的巨型水箱，很像装粮食的筒仓。它的旁边，是一个三层玻璃建筑，里面塞满低温管、泵、制冷器、子系统和电子设备，它们的目的只有一个：维护探测器。探测器本身位于水箱内部，封在一米厚的不锈钢低温恒温器内。探测器和周围一切都由低放射材料制成，旨在削减背景“噪音”——就像在SNOLAB一样，放射性材料会发射出电子、伽马射线或中子，被探测器捕获；罕见的暗物质粒子要是真的出现了，也会被淹没其中。为进一步抑制不必要的背景干扰（比如宇宙射线），低温恒温器被浸入水箱，由吨水所环绕，另外，顶上米的岩石也发挥了不小的屏蔽作用。
在低温恒温器内部，两吨超低温液氙将仪器包裹了起来。氙气不仅无色无味，而且是地球上最稀有的元素之一，主要产地是俄罗斯、南非和沙特，是炼钢的副产物。
总有一些电子、伽马射线，以及偶尔来自大气的介子，可以突破重重阻碍，闯入探测器内部。而氙原子被这些粒子激发时，会发射出细微的闪光，这是很多稀有气体的共同属性。而液氙有着强大的制动能力——它对路过的粒子十分敏感。
这些闪光会被光学设备捕捉，并进行分析。到目前为止，所有信号都被否定了。“我们要找的，是一种前所未见的信号。只有对背景噪音了如指掌，且背景噪音足够低，这才行得通。”科德雷说，他曾任XENON1T的分析协调员。
XENON1T于年启动运营，今年5月发表了最新一批数据，依然没有结果。但科学家表示，他们给暗物质效应值限定的区间，达到有史以来最窄：1平方厘米的万亿分之一的万亿分之一，即4.1乘10的负47次方厘米。效应值又称截面，代表WIMP与普通物质——氙原子——相互作用的强度。为确定效应值，科学家梳理了天的数据，按照估算，这期间最多可录得十场暗物质事件。结果，什么都没有——也就是说，WIMP肯定比之前假定的还要小。
不论在地下实验室，还是山脉附近的研究设施内，任何时候都有两人值班。他们用平板电脑遥控操作探测器，持续
