宇宙中大約80%的物質是目前物理學完全不知道的一種形式，我們稱它為暗物質，因為就我們所知，它是…“黑暗”的，世界各地的實驗都在試圖捕捉一種遊離的暗物質粒子，希望能夠了解它，但到目前為止，這些實驗都一無所獲。現在，一組理論家提出了一種新方法，用一種叫做馬約拉納費米子的奇怪“準粒子”來尋找暗物質。

暗物質之謎

理論物理學家表示，這些微小漣漪甚至可以吸引一個稍縱即逝的輕量級暗物質粒子脫離隱藏。人們對暗物質有各種各樣的瞭解，但引人注目的是它是什麼。儘管目前不能直接探測到暗物質，但只要我們打開望遠鏡，看到更廣闊的宇宙，就能看到暗物質存在的證據。早在20世紀30年代，第一個發現就來自於對星系團的觀察，星系團是宇宙中一些最大的系統結構。本來這些星系移動得太快，無法形成一個星系團。

這是因為星系的總質量提供了引力粘合劑，使星系團保持在一起——質量越大，這種粘合劑就越強。一種超強的膠水可以把速度最快的星系粘在一起。速度再快，星團就會分崩離析。但在那裡，星系團已經存在了，星系在星系團內部嗡嗡作響的速度遠遠超過了星系團質量所能提供的引力束縛。有一種物質具有足夠的引力將星系團聚集在一起，但這種物質不發光，也不與光發生相互作用。

這個謎題幾十年來一直沒有解開，到了20世紀70年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)通過觀察星系內的恆星，在很大程度上加大了賭注。再一次，事情發展得太快了：考慮到觀測到的質量，我們宇宙中的星系應該在數十億年前就已經分裂了，有什麼東西把他們拉在一起，是看不見的東西。這個故事在整個宇宙中不斷重複，無論是在時間上還是在空間上。從宇宙大爆炸中最早的光到宇宙中最大的結構，某種時髦的東西就在那裡。

在黑暗中尋找

所以暗物質就在那裡——我們只是找不到任何其他可行的假說來解釋支持暗物質存在的數據海嘯。但這是什麼呢？最好的猜測是：暗物質是一種新的、奇異粒子，迄今為止物理學還不知道。在這幅圖中，暗物質淹沒了每個星系。事實上，通過恆星、氣體雲和塵埃所能看到的星系的可見部分，只是一座小燈塔，與更大、更暗的海岸相對。每個星系都位於一個由無數暗物質粒子組成的巨大“光環”中，這些暗物質粒子正在穿過你的房間，從你身上流過。

一場永不停歇的雨，由微小、看不見的暗物質粒子組成。但你根本沒有注意到它們。它們不與光或帶電粒子相互作用。因為你是由帶電粒子組成，你對光很友好；但你對暗物質是看不見的，暗物質對你也是看不見的。我們能“看到”暗物質的唯一方式是通過引力；萬有引力注意到宇宙中每一種物質和能量的形式，無論是否黑暗，所以在最大的尺度上，觀察到所有這些無數粒子綜合質量的影響，但在你房間裡，什麼都沒有。

除非，有其他方式暗物質與我們正常物質相互作用。暗物質粒子，不管它是什麼，也有可能感受到微弱的核力（這是造成放射性衰變的原因）打開了一扇通往這個隱祕領域的新窗戶。想象一下建造一個巨大的探測器，只是一個大質量的任何元素。暗物質粒子穿過它，幾乎所有的粒子都完全無害。但有時，經過的粒子會通過弱核力與探測器中元素的一個原子核相互作用，撞出原來的位置，使探測器的整個質量抖動，這取決於暗物質的特定模型，這種情況很少見。

馬約拉納費米子

這種實驗裝置只有在暗物質粒子相對較重的情況下才會起作用，因為暗物質粒子具有足夠的吸引力，足以在一種罕見的相互作用中擊穿原子核。但是到目前為止，即使是在多年的搜尋之後，全球所有暗物質探測器都沒有發現任何相互作用的痕跡。隨著實驗的深入，暗物質可容許性質逐漸被排除了。這並不一定是件壞事，因為根本不知道暗物質是由什麼構成，所以對它的瞭解越多，就越清楚它可能是什麼。

但結果的缺乏可能有點令人擔憂，暗物質中最重的候選者被排除在外，如果這個神祕的粒子太輕，它將永遠不會在探測器中被發現。也就是說，除非有另一種方式讓暗物質和普通物質對話。在新發表的一項研究中，物理學家們詳細介紹了一項擬議的實驗裝置，該裝置可以發現正在改變電子自旋的暗物質粒子(如果暗物質真能做到這一點的話)。

在這種情況下，即使可疑粒子很輕，暗物質也有可能被探測到。它可以通過在材料中創建所謂的馬約拉納費米子來做到這一點。假設你有一大塊材料在絕對零度的溫度下，所有的自旋（就像微小的條形磁鐵）都指向同一個方向。當慢慢地升高溫度，一些電子就會醒來，四處擺動，隨機地把它們的自旋指向相反方向。溫度升高得越高，翻轉過來的電子就越多——每一次翻轉都會稍微降低磁場強度。

每一個翻轉的自旋也會在物質能量中引起一個小的波紋，這些擺動可以被看作是準粒子，而不是真實的粒子，但你可以用這種方式用數學來描述。這些準粒子被稱為“馬約拉納費米子”，可能是因為它們就像可愛的小磁鐵。所以如果你從一個非常冷的物質開始，足夠多的暗物質粒子撞擊這個物質並使其旋轉，就會觀察到馬約拉納費米子，由於實驗的敏感性和相互作用性質，該裝置可以檢測到輕量的暗物質粒子，也就是說，如果它存在的話。