我们宇宙中的大部分物质是看不见的。我们可以测量这种“暗物质”对恒星和星系轨道的引力。我们可以看到它是如何使周围的光弯曲的，也可以探测到它对热大爆炸的原始等离子体遗留下来的光的影响。我们已经非常精确地测量了这些信号。我们有充分的理由相信暗物质无处不在。但我们仍然不知道它是什么。
几十年来，我们一直试图在实验中探测暗物质，但无济于事。也许我们的第一个发现就在眼前。但漫长的等待促使一些暗物质猎人怀疑我们是否在错误的地方或错误的方式寻找。许多实验努力都集中在相对较少的可能的暗物质身份上——这些身份似乎可以同时解决物理学中的其他问题。尽管如此，也不能保证这些其他的谜题和暗物质的困境有联系。越来越多的物理学家承认，我们可能不得不寻找更广泛的可能解释。这个问题的范围既令人生畏又令人振奋。
与此同时，我们开始思考一个发人深省的想法，即我们可能永远无法确定暗物质的本质。在寻找暗物质的早期，这种想法似乎很荒谬。我们有很多好的理论，也有很多测试它们的实验选择。但容易的路大多已经走过了，暗物质被证明比我们想象的更加神秘。完全有可能暗物质的行为方式是目前的实验不太适合探测的——或者它甚至完全忽略了常规物质。如果它不通过重力以外的任何机制与标准原子相互作用，那么在实验室里几乎不可能探测到它。在这种情况下，我们仍然可以希望通过绘制暗物质在整个宇宙中的存在来了解暗物质。但有一种可能性是，暗物质将被证明是如此难以捉摸，以至于我们可能永远无法理解它的真实本质。
2022年8月一个温暖的夏夜，我们和其他几位物理学家在华盛顿大学(University of Washington)围坐在一张桌子旁。我们在那里讨论“雪团过程”的高潮，这是一项为期一年的研究，美国粒子物理学界每十年左右进行一次，以商定未来研究的优先事项。我们的任务是总结暗物质搜索的进展和潜力。传达解释暗物质有多少种可能性，以及探索暗物质的许多想法，这项工作让人望而生畏。
我们正处于寻找暗物质的特殊时刻。自20世纪90年代以来，成千上万的研究人员竭尽全力寻找可能构成暗物质的粒子。到目前为止，他们已经排除了许多最简单、最容易的可能性。尽管如此，大多数物理学家都相信暗物质是存在的，它代表着某种独特的物质形式。
一个没有暗物质的宇宙将需要对我们目前所理解的基于爱因斯坦广义相对论的引力定律进行惊人的修改。以一种不需要暗物质的方式更新理论——要么调整广义相对论的方程，同时保持相同的基本框架，要么引入一些完全取代广义相对论的新范式——似乎异常困难。
这些变化必须模仿天体物理系统中暗物质的影响，从巨大的星系团到银河系最小的卫星星系。换句话说，它们需要适用于距离和时间的巨大尺度，而不会与我们收集到的关于引力如何工作的大量其他精确测量相矛盾。这些修正还需要解释，如果暗物质只是引力的一种修正——引力普遍与所有物质相关——为什么并非所有星系和星系团似乎都含有暗物质。此外，即使是最复杂的试图建立自洽的修正引力理论来解释暗物质的尝试，最终也会援引一种暗物质，以匹配我们在宇宙微波背景中观察到的涟漪，即大爆炸遗留下来的光。
暗物质问题的范围既令人生畏又令人振奋。
相比之下，假设一种不与光相互作用的新型物质是一个简单的想法。事实上，我们已经有了一个以中微子形式存在的暗物质的例子。中微子是一种几乎没有质量的粒子，无处不在，但很少与其他物质相互作用。只是我们已经知道中微子不能解释宇宙中大部分的暗物质。它们最多只能占到其中的1%。
那剩下的99%呢?暗物质可能只是发现的冰山一角，是首次发现一个或多个不属于粒子物理学标准模型的新粒子吗?暗物质是否会感受到已知粒子所没有的新力量(就像暗物质似乎不会感受到电磁力一样)，或者它是否与新的自然基本原理有关?暗物质能解决隐藏在标准模型中精确测量的物理学中的突出难题吗?或者它能揭示宇宙历史最早的时刻吗?目前，所有这些问题的答案都是一个明确的“也许”——但这种发现的潜在力量推动着我们继续前进。
关于暗物质身份的两个最流行的建议是弱相互作用大质量粒子(WIMP)和量子色动力学轴子(QCD)。这些想法塑造了理论学家对暗物质的看法，并启发了许多寻找暗物质的实验。
wimp是假设的稳定粒子，其质量与标准模型中的粒子相当。质子的质量略低于1 GeV/c2，大多数WIMP搜索都集中在10到1000 GeV/c2之间的质量范围。(粒子物理学家发现，用爱因斯坦的E=mc2来测量能量单位的质量很方便。)WIMP的经典版本是一种新的粒子，它直接与已知携带弱核力的W和Z玻色子相互作用(因此在WIMP中有“W”)。这样的粒子在超对称模型中自然出现，在超对称模型中，每个已知的粒子都有一个更重的对应物，称为超级伙伴。15年前，我们的研究领域希望日内瓦附近的大型强子对撞机能找到超级伙伴，但我们没有这样的运气。如果超对称存在，超伴子一定比我们最初预期的要重。此外，尽管超对称理论的许多版本都预测了WIMP暗物质的存在，但相反的情况并不成立;即使在没有超对称的宇宙中，wimp也是可行的暗物质候选者。
许多物理学家喜欢WIMP理论的原因之一是，这些粒子自然会在宇宙中产生与我们观察到的相同数量的暗物质。人们认为，当宇宙比现在更小、密度更大、温度更高的时候，即使是微弱的相互作用也足以在已知粒子碰撞时产生wimp。类似的反应反过来也会发生——当wimp碰撞时，它们会产生规则粒子。如果大爆炸最初没有产生wimp，那么已知的粒子就会产生它们。WIMPs的碰撞将其能量转化为已知的粒子，这将摧毁大多数WIMPs，只留下残余的丰度。例如，质量与希格斯玻色子相当的WIMP将产生正确数量的暗物质。这种机制简单而有吸引力。
wimp吸引了许多实验学家，因为它们必须与已知粒子发生显著的相互作用——这就是它们如何得到适当数量的暗物质的原因。有三种经典的方法来寻找wimp:对撞机实验，我们希望通过碰撞标准模型粒子产生暗物质来重现早期宇宙的条件;直接探测实验，使用极其灵敏的探测器寻找被暗物质粒子撞击时“跳跃”的可见粒子;还有间接探测，我们向外观察太空，寻找暗物质粒子碰撞并相互湮灭时产生的熟悉粒子。第三种方法特别测试了完全相同的破坏性过程，该过程将设定宇宙中wimp的丰度。因此，如果这些反应在今天的表现方式与它们在早期宇宙中的表现方式相同，我们就可以明确地预测它们发生的频率。对于前两种方法，预测并不那么明确。在对撞机搜索中，我们探测到wimp的能力取决于它们的质量:更大质量的wimp可能需要更多的能量来产生，而不是对撞机所能提供的能量。在直接探测中，我们不知道wimp撞击普通粒子的频率。
天体物理观测——间接探测——已经揭示了一些可能暗示暗物质湮灭的信号，但对于我们所看到的，也有更多的世俗解释。例如，银河系中心GeV过剩是来自银河系中心的伽马射线光;它有合适的速率和能量成为wimp湮灭信号。它是在2009年被发现的，为什么我们还没有宣布胜利呢?不幸的是，我们知道某些旋转的中子星可以产生类似能量的伽马射线，而且很有可能过量的伽马射线是这种恒星新种群的第一个迹象。我们希望这个问题能在未来几年得到解决:在直接探测或对撞机实验中找到对应的信号将支持暗物质的解释，而在其他波长的中子星上发现辐射将排除暗物质的解释。
在未来十年左右的时间里，未来的大型伽马射线望远镜(比如在智利和西班牙建造的切伦科夫望远镜阵列，以及计划在南美洲某个地方建造的南部宽视场伽马射线天文台)可以测试WIMP机制，以产生最高质量的暗物质，只要它是可行的。然而，即使我们没有观测到暗物质的湮灭，也有漏洞可以挽救WIMP理论。在一些模型中，在早期宇宙中产生wimp的湮灭过程在后期关闭。然而，在这种情况下，wimp通常仍然会出现在对撞机实验和直接探测中。
如果我们问“暗物质是什么?”它的可能性几乎是无穷无尽的。
直接探测实验在提高对罕见事件的灵敏度方面取得了惊人的进展。在10年内，下一代的实验可能会非常灵敏，他们将开始探测到来自太阳的中微子流过探测器。在我们到达那个点之前，没有其他的过程可以伪装成暗物质，也没有看似不可逾越的技术挑战挡在路上。仍然有许多简单的WIMP模型可能出现在这个范围内。
QCD轴子是一种非常不同的暗物质候选者，直到最近，我们还没有几乎相同的能力来测试它。像WIMP一样，它将是一种新的基本粒子，尽管要小得多:轴子比任何已知粒子都要轻得多，甚至比中微子也要轻得多。如果这些粒子存在——无论它们是否构成了所有的暗物质——它们都将解决我们长期以来对将原子核凝聚在一起的强作用力的理解难题。此外，轴子理论做出了独特的预测:如果你知道轴子的质量，你就可以估计出它与已知粒子相互作用的强度。不幸的是，这些相互作用取决于轴子的质量，对于较轻的轴子来说，这种相互作用可能非常弱。
尽管如此，轴子相互作用可能会产生惊人的影响，因为要解释暗物质，它们必须非常丰富，以至于它们表现为波而不是单个粒子。根据量子力学，每一个基本粒子也是一种波，其波长与其质量成反比。在比这个波长更小的尺度上，粒子的经典图像就失效了。轴子是如此之轻，以至于我们可以期望在与地球上典型实验大小相当的距离上看到这样的量子效应。
由于预计QCD轴子与常规物质的相互作用非常弱，所以很少有实验寻找它们，而且它们只在可能质量范围的一小部分进行了搜索。然而，新的探测策略和量子传感器技术为寻找质量超过许多数量级的QCD轴子开辟了前景。一项名为ADMX-G2的长期实验的最新版本非常敏感，而DMRadio等即将开展的项目有望大大扩展搜索范围。
在接下来的十年里，戏剧性的实验进展将首次在WIMP和QCD轴子的大部分自然质量范围内进行测试。理论基础已经奠定，实验计划也已准备就绪。我们可以就此打住——这些策略很有可能会给我们提供解决方案。
然而……即使WIMP和轴子是美丽的想法，也不能保证宇宙符合我们的审美偏好。如果我们问，“暗物质是什么?”可能性几乎是无穷无尽的。
一整套理论设法描述了暗物质解释宇宙所需要做的一切，但每一种理论都需要不同的粒子和力来实现。理论家们已经彻底摸清了哪些观点有希望成立，哪些观点与观测结果不一致。许多可行的假设与wimp或轴子惊人地不同。例如，其中一些包括由许多更小的成分组成的大质量聚集物体，类似于由不同暗粒子组成的暗物质原子。
暗物质粒子的大小是有限的。如果它们比轴子轻得多——大约比电子质量轻25个数量级——它们的波长可能接近星团或小星系的大小。如果是这样的话，暗物质的分布及其引力足迹将会明显不同。
那另一端呢?我们能直接观测到的最小的暗物质团块是太阳质量的数千万倍。单个暗物质粒子应该比这个小，但是小多少呢?如果暗物质是由致密、黑暗的物体构成的——通常被称为大质量致密光晕物体(MACHOs)，作为对wimp的半开玩笑的对比——那么当它们以我们可以看到的方式穿过星系时，它们的引力会偏转光线并扰乱轨道。macho可能以微小黑洞的形式出现，在大爆炸后的最初时刻诞生。这些黑洞不会由恒星形成——因为暗物质比恒星更早出现——而且可能比太阳轻得多。这些黑洞能解释所有暗物质的唯一方法是，它们的质量与我们太阳系中的小行星差不多，大约在1000亿到10万亿吨之间。这将使它们的质量达到月球质量的千分之一，使它们比最小的暗物质粒子重75个数量级。(相比之下，我们可观测宇宙的半径和质子的半径之比只有41个数量级。)这是相当大的范围。
在这两个极端之间的广大地区，我们有太多的选择。在早期宇宙中产生wimp的过程也适用于许多其他粒子。如果暗物质比质子轻，并通过这种机制诞生，那么它可能只是物理学“暗区”中众多新粒子中的一种。这些其他的粒子通常是不稳定的，所以在太空中它们的数量很少。然而，它们可能出现在粒子加速器中，特别是如果它们也相对较轻的话。轻暗物质和暗扇区也可以存在，而不依赖WIMP机制来产生适量的暗物质——如何产生观测到的丰富的暗物质还有无数其他的可能性。
如果暗区真的存在，我们需要新的实验方法来找到它。例如，一旦暗物质比原子核轻得多，经典的WIMP探测器就会失去灵敏度，因为它们会寻找入射暗物质对原子核的强烈“冲击”。新技术可以寻找电子(比质子轻2000倍)被踢出的迹象，或者使用更有创意的策略来探测从暗物质到标准粒子的微小能量转移。最近出现的超灵敏量子传感器可能会有所帮助。
我们所知道的搜索如此广泛可能性的唯一方法是建立许多小型实验，每个实验对不同类型的暗物质都很敏感，而不是把我们的资源集中在几个大型项目上。我们也可以利用这些小实验来开发新技术，尝试新的想法;如果其中一种策略被证明是有效的，或者探测到一些可能是暗物质最初迹象的东西，我们就可以扩大规模。
太空中的间接探测搜索已经跨越了巨大的能量尺度。如果暗物质正在缓慢地衰变成可见粒子，其典型的寿命是目前宇宙年龄的10亿倍，那么我们现在应该知道许多可能的暗物质质量。例如，我们可以通过这种搜索来测试原始黑洞;这就是我们如何知道，如果黑洞构成了所有的暗物质，它们的重量不可能超过1000亿吨(较轻的黑洞衰变得更快)。
即使我们没有看到信号，我们也会继续通过绘制暗物质在太空中的引力来了解更多关于暗物质的信息。目前和即将问世的仪器将以惊人的精度和深度测量恒星和遥远星系的分布。精确宇宙学和人工智能的发展正在推动技术的发展，以帮助我们从这些数据中收集尽可能多的信息。这样的观察可以为暗物质的基本性质提供新的线索，补充我们在实验室里可以学到的东西。
在Snowmass的讨论之后，物理界选择了一种平衡的策略。我们计划深入研究我们最喜欢的暗物质理论，同时也要广泛搜索(在较浅的层面)，以探索尽可能多的可能性。
如果我们幸运的话，这些实验中的一个将会有明确的发现。一旦这种情况发生，它将引发范式转变。广泛而多样的搜索将集中在这个信号上，我们将计划未来的实验来更好地理解它。这一发现还将促使理论家们研究如何将暗物质与我们所熟悉的粒子动物园的其他部分联系起来的更大图景。
但如果这些实验都没有发现信号呢?也许下一次“雪团过程”的物理学家，大约十年后，将不得不使用零结果来为未来的研究指明方向。我们不能否认这个结果会令人失望，但它仍将被视为一项重大成就。科学一步一个脚印地向前发展，那些告诉我们不要去寻找下一个洞见的结果，与那些证实某个特定想法是正确的结果同样重要。如果我们能够确定地预测暗物质是什么，那就意味着我们已经知道了答案，这让我们的工作变得不那么令人兴奋了。虽然我们不能确切地说我们何时甚至是否会发现暗物质，但我们知道宇宙中充满了暗物质。我们乐观地认为，未来几年的探索将使我们更深入地了解它是什么。
