聆聽宇宙叢林中的隱形蛙：丁肇中團隊找到「暗物質」了？ @ 《BBC知識》國際中文版

【文╱吳俊輝（台灣大學物理系暨天文物理研究所教授，劍橋大學宇宙學博士）】

一般的星系大多籠罩在雲暈狀的暗物質中（圖中所示球形區域）。

2013年4月3日，歐洲核子研究組織（CERN）正式發表了造價約六百億新台幣的「阿爾發磁譜儀」（Alpha Magnetic Spectrometer，簡稱AMS）的新研究成果，該計畫由華裔諾貝爾物理獎得主丁肇中教授領軍、歷時18年，共有包含台灣在內的16國一起合作，已在國際太空站上進行了近兩年的觀測，目的就是為了找尋神祕的「暗物質」（Dark Matter）！近來華文媒體爭相以「解開宇宙重大謎團」、「發現暗物質線索」等等為標報導該成果，寫得多半讓人有看沒有懂，所以我們只簡單地問：暗物質真的找到了嗎？它和我們之前介紹過、能讓世界全然改觀的第五元素「暗能量」（參見《BBC知識》No.18本專欄）有何異同？

看不見卻無所不在的「暗物質」

依據今年3月普朗克太空計畫的新結果（參見《BBC知識》No.20本專欄），目前宇宙的組成物質中約有68％為暗能量、27％為暗物質、5％為一般物質。前二者所以名之為「暗」，是因為它們都不會發光，也因此很難被直接偵測，而兩者間的差別僅在於暗物質具萬有「引力」、暗能量具萬有「斥力」。兩者都是在結合觀測與理論後所間接推得的理論產物，在自然界中從未被偵測到。

暗能量主要是為了解釋宇宙加速膨脹的現象（2011年諾貝爾物理獎），而暗物質的提出則具有多重動機，第一次被討論已是近一個世紀以前。傳統上的主要動機是為了解釋一般星系在旋轉時，為何外圍轉速要比預期中還來得快。也就是說在理論上，暗物質會以雲暈（halo）的方式籠照著整個星系，藉以提供星系外圍快速旋轉所需的重力。近十多年來的另一動機則是來自宇宙觀測上的「重力透鏡效應」（Gravitational Lensing），也就是說宇宙中的星光有時會被莫名地扭曲，而這極可能是受到暗物質團塊的重力偏折，就像光在通過透鏡時會發生偏折一樣。

「暗物質」是何方神聖

如今雖然科學家們普遍認為暗物質占宇宙組成物質的近三成，但在現實中卻一直找不到它存在的直接證據。在理論物理的架構下，可能的暗物質候選者有很多，包括軸子（axion）和超對稱粒子（Supersymmetric Particle）等，這些候選者各個都披有迷幻色彩，其存在與否都會對現代物理學造成衝擊，因此若能在宇宙或實驗室中偵測到暗物質，人類的科學成就將會迅速地更上層樓，第一位發現者也必然會獲得諾貝爾獎。丁肇中教授所領導的跨國大型計畫AMS，精神即在於此。

仔細聆聽宇宙叢林中的「暗物質」

但暗物質既然看不到也摸不著，那要如何搜尋呢？這個過程就像是在未知的叢林中透過蛙鳴來尋找一種隱形蛙，由於我們已事先建立好各種動物和叫聲的對應知識，所以當聽到任何聲音時，便能夠分辨是何種動物，分析是否含有隱形蛙。這個技術的難度即在於防止誤判，所以不但要對隱形蛙有深入的研究，更要具有精確偵測並分析聲音的能力。

宇宙中的物質彼此間會有不同的交互作用，因而產生各種不同的宇宙射線，偵測這些射線就如同在聆聽叢林中的聲音一樣，可以推測它們是由哪種物質所產生的。暗物質的熱門候選者之一為「弱作用大質量粒子」（Weakly-Interacting Massive Particle，簡稱WIMP），它們會隨時間產生出電子和正子（電子的反粒子），但由於正子在一般自然界中並不多見，它就像是一種特殊的蛙鳴，故常被拿來做為偵測WIMP暗物質的媒介。

AMS在十八個月間共偵測到超過三百億個宇宙射線，約占該計畫原本預計偵測數量的一成，所以AMS未來會長期在國際太空站上持續進行下去。這些被偵測到的宇宙射線中，約有六百八十萬個被確認是電子或正子，其中至少有四十萬個為正子。這些正子的能量分布不但與一個理論模型完全符合，資料也顯示它們來自於宇宙的四面八方，而非來自某一特定方向，AMS因此受到學術界及媒體關注。