宇宙中有95%的物质我们看不见也摸不着。这不是科幻电影的情节，而是物理学面临的最大尴尬。暗物质约占宇宙质量的27%，暗能量占68%，而构成恒星、行星和我们身体的普通物质，只占可怜的5%。德克萨斯农工大学的物理学家鲁帕克·马哈帕特拉正在建造比邮票还小的超灵敏探测器，试图捕捉那些可能十年才出现一次的暗物质信号。
这不是一场普通的科学探险。马哈帕特拉经常用一个寓言来形容人类的处境：这就像试图只摸到大象的尾巴就描述它一样。我们感觉到某种庞大而复杂的事物，但我们仅仅掌握了其中的一小部分。他领导的团队最近在《应用物理快报》上发表的研究，展示了名为TESSERACT的探测器如何将这场对宇宙最大谜团的追捕推向新的高度。
想象一下，你要在体育场内数万人的欢呼声中听清一片羽毛落地的声音。这大概就是探测暗物质的难度。暗物质粒子极少与普通物质发生相互作用，即使每秒钟有数万亿个暗物质粒子穿过你的身体，它们也不会留下任何可察觉的痕迹。
马哈帕特拉说：挑战在于暗物质的相互作用非常微弱，因此我们需要能够探测到一年一次甚至十年一次事件的探测器。TESSERACT的设计理念正是为了应对这种极端挑战。这种探测器使用超导量子传感器，工作温度接近绝对零度，比室温低10万倍。在这种极寒环境中，即使是单个粒子的碰撞也能被放大并记录下来。
这是一台用于在德克萨斯农工大学TRIGA反应堆中搜寻低能中微子的MINER探测器。这台蓝宝石探测器既可用于暗物质搜寻，也可用于探测反应堆中微子，后者不仅能提供新物理的证据，还有助于核不扩散。图片来源：德克萨斯农工大学
TESSERACT实际上是两个实验项目的合称：SPICE和HeRALD，分别使用不同的探测技术搜寻低质量暗物质粒子。与需要数吨探测材料的传统实验不同，TESSERACT的探测器小到可以放在手掌上，但灵敏度却达到了前所未有的水平。伯克利实验室的研究显示，这种小而强大的探测器能够探索其他实验从未触及的质量范围。
在德克萨斯农工大学的洁净室里，研究团队正在进行一项要求极高的工作：将半导体晶体抛光至平整度仅为人类头发丝厚度的百分之一。这些晶体是探测器的核心部件，任何微小的瑕疵都可能产生假信号，掩盖真正的暗物质事件。
马哈帕特拉的团队使用蓝宝石和硅晶体制造探测器，这些材料在极低温下表现出独特的物理特性。当暗物质粒子与晶体中的原子核碰撞时，会产生声子，即晶格振动的量子化能量单元。超导传感器能够将这些微弱的振动转化为可测量的电信号。整个探测系统被安装在稀释制冷机中，通过多级冷却达到接近绝对零度的温度。
德克萨斯农工大学研究生基思·亨特、贝利·皮卡德和马赫迪·米尔扎哈尼（从左至右）正在安装探测器。图片来源：德克萨斯农工大学
这种技术的突破始于2014年。当时马哈帕特拉及其同事在SuperCDMS实验中引入了电压辅助量热电离检测技术，发表在《物理评论快报》上的这一成果使科学家能够研究低质量的弱相互作用大质量粒子，即WIMP。WIMP被认为是暗物质的主要候选者之一，它们只通过引力和弱核力与普通物质相互作用，质量可能是质子的几倍到数千倍。
暗物质探测是一场全球性的科学竞赛。除了TESSERACT，世界各地还有数十个实验项目在使用不同的技术手段搜寻暗物质。中国的CDEX项目在四川锦屏地下实验室使用点电极高纯锗探测器，已经在轻质量暗物质探测领域取得了世界领先的成果。PandaX实验则使用液氙时间投影室技术，在高质量WIMP搜寻方面表现出色。
马哈帕特拉在2022年与同事合著的研究中强调了多种探测方法协同作用的重要性：任何单一实验都无法提供所有答案。我们需要不同方法之间的协同作用，才能拼凑出完整的图景。这些方法包括直接探测、间接探测和对撞机搜索。直接探测实验如TESSERACT试图捕捉暗物质粒子与探测器的碰撞，间接探测实验搜寻暗物质粒子湮灭产生的高能宇宙射线，而大型强子对撞机则试图在实验室中创造暗物质粒子。
德克萨斯农工大学工程师马克·普拉特（左）和实验物理学家鲁帕克·马哈帕特拉博士在制造车间，这里正在进行至关重要的第一步：将半导体晶体抛光至平整度仅为人类头发丝厚度的百分之一。图片来源：德克萨斯农工大学
然而，尽管投入了巨大的资源和努力，暗物质仍然保持着神秘。近年来，一些实验声称发现了可能的暗物质信号，但这些结果都未能被其他实验证实。WIMP理论曾经是最受欢迎的暗物质候选，但随着探测灵敏度的提高，理论预测的参数空间不断被压缩。这促使科学家们开始探索其他可能性，包括轴子、惰性中微子和原始黑洞等。
马哈帕特拉强调，探测暗物质的意义远不止于满足科学好奇心。如果我们能够探测到暗物质，我们将开启物理学的新篇章。这项探索需要极其灵敏的传感技术，而且它可能催生出我们今天甚至无法想象的技术。
一张晶圆，上面镶嵌着用于TESSERACT项目的多种不同芯片设计。图片来源：德克萨斯农工大学
事实上，暗物质探测技术已经开始产生实际应用。用于TESSERACT的超导量子传感器在量子计算领域显示出巨大潜力。这些传感器能够探测单个光子或声子，使它们成为量子比特的理想读取装置。德克萨斯农工大学的团队还使用这些探测器在校园内的TRIGA反应堆中搜寻低能中微子，这项技术不仅能提供新物理的证据，还有助于核不扩散。
中国的暗物质探测项目也在推动相关技术发展。清华大学主导的CDEX合作组开发的低温探测技术已经应用于医学成像和环境监测。美国发布的粒子物理学未来十年规划中，将暗物质探测列为最高优先级之一，计划投资数十亿美元建设更大规模、更高灵敏度的探测设施。
德克萨斯农工大学实验粒子物理学家鲁帕克·马哈帕特拉博士正在展示一台研发探测器，该探测器安装在稀释制冷机中，可将其冷却至比室温低10万倍。图片来源：德克萨斯农工大学
从德克萨斯农工大学的实验室到四川锦屏山2400米深的地下空间，从南极冰层到国际空间站，人类正在用前所未有的决心和技术手段追踪宇宙中最难以捉摸的物质。马哈帕特拉和他的团队知道，成功可能需要几十年时间，甚至可能永远无法实现。但正如他所说：我们正在摸索大象的尾巴，但至少我们开始意识到，这头大象比我们想象的更加庞大和神秘。
当TESSERACT探测器在接近绝对零度的黑暗中静静等待时，它不仅在倾听宇宙的低语，也在书写人类探索未知的新篇章。无论最终能否找到暗物质，这场追捕本身已经推动了科学技术的巨大进步，并提醒我们：在这个看似熟悉的宇宙中，仍然隐藏着无数等待揭晓的秘密。
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