基礎科學前沿問題=危+機

基礎科學的最終目標，就是瞭解與描述宇宙運作的『字母』與『文法』。

在科學研究中，『問題』比『答案』重要——這說明為何我們窮畢生精力去攝取學『問』。在當下的大視野中，科學對宇宙的認知，有著非常基本的問題，『危』與『機』並存。我們在嘗試理解宇宙的努力中，發現根深蒂固的矛盾。宏觀(macroscopic)宇宙的天文觀察，以重力為核心，理論工具就是廣義相對論(General Relativity)，其基礎是古典物理(Classical Physics)的語言。微觀(microscopic)世界則建於分子、原子與基本粒子的實驗偵測，理論工具就是標準模型(Standard Model - SM)，其『作業系統』是量子物理(Quantum Physics)。所以，現在描述宏觀與微觀世界的理論架構是極不一致的。更重要的是：利用這兩種理論去分析數據、解讀宇宙，會出現極大的、無法解套的、沒有調和空間的衝突。這就是證據強實、無從置疑的『宇宙能量密度缺失』的問題(Missing Energy Density Problem of the Universe)中最基本、最根本(fundamental and foundational)的矛盾。

這難題的答案，至今只有不同的理論猜想，還沒有公認的解決方案。這勢將影響、塑造以後數十年基礎科學的演進發展。現在主流的解釋，如圖一。就是宇宙的組成的元素，我們只瞭解其中約5%，也就是我們已建構的標準模型的物質(即質子、中子、電子等)。我們有穩實的數據和理論基礎，描述這些字母與其文法。但其中還有一重要謎團，就是雖然正、反物質在原始宇宙同時同量產生，但現在卻沒有觀測到有大量反物質的證據。我們還未能解釋反物質如何在宇宙演化過程中丟失。

圖一：現今解答『宇宙能量密度缺失』問題的主流理論架構 – 標準模型物質佔宇宙組成約5%，餘下26%暗物質、69%暗能量我們並不瞭解。

餘下約有95%的能量密度到底是甚麼？我們只確定問題存在，但並不知道其組成、性質和互動作用規律。在主流理論模型的框架下，約26%是『暗物質』 (Dark Matter -DM)，是標準模型以外的物質，但有相同的重力作用，餘下的69%泛稱『暗能量』 (Dark Energy)，有截然不同的重力作用，其特性我們瞭解更少。

我們有強實且多元多源的證據，指向暗物質與暗能量的存在。詳細內容可參考田雍老師的在本專刊的論述。 

『暗物質』問題的存在，證據確鑿，但其性質到底為何，至今已有的理論提案，則多元多向、莫衷一是，如圖二。籠統的認知是它有如一般物質的重力作用、穩定(它在宇宙早期產生，但至今還存在)、且沒有強、電磁或弱作用力。根據觀察的星系分佈與宇宙演化的模型比較，我們推斷暗物質是『冷』的 (Cold Dark Matte)，即是說它非相對性 (non-relativistic) ---- 它的質量遠超過其動能，行進軌跡極慢。

圖二：暗物質問題，沒有確實答案。很自然地，研究大多基於標準模型相類似理論架構、關鍵參數(質量mass與 交互作用強弱 cross-section)和實驗方法(電磁波EM-Wave、粒子探測器Radiation Detectors 或天文觀測技術)。不同的質量範圍有不同的理論，採取不同的偵測方法。其中 WIMP 的猜想，最受關注及檢驗。

在眾多理論猜想中，新添的元素若能同時解決別的問題，自然的會使科學界更感興趣、更重視。其中 WIMP (Weakly Interaction Massive Particles)的提案，因為可同時解決粒子物理中非常關鍵的『層級問題』(Hierarchy Problem)，所以一直是可以破解暗物質謎團的主流理論，被賦予很大的期望。在實驗的搜尋中，主流方案也在於設定了暗物質的重要參數，就是其質量(mass)和其與標準模型物質的交互作用強弱(interaction coupling cross-section)。

搜尋暗物質的實驗方案

為甚麼WIMP理論及現階段的實驗手段是主流？ 部分原因為這是我們『成功的擔子』 (burden of success)。人類科學建構了粒子物理的標準模型，成功的、漂亮的解答了宇宙5%能量的問題，瞭解了我們直接觀感之世界的物質。很理所當然的我們會留在舒適圈，利用同樣的理論架構、關鍵參數和實驗技術，去面對下回『95%能量為何』的挑戰。

這選擇很自然、也很人性 (natural and human)。此『登峰』的策略與路線是否可行正確，仍是未知之數，但其本身就是極有趣的問題。可預期的是：沿途不可避免的驗證，必然引出極具啟發的問題，帶來深遠廣博的科學討論，定能推展我們對宇宙的瞭解及實驗技術的提升。

我們並不瞭解甚麼字母(如WIMP基本粒子)與文法(它自身或與標準物質的交互作用)組成暗物質。示意圖三可說明偵測搜尋暗物質實驗的方向：

1. 製造它 (Production at Accelerator)：利用加速器對撞機模擬早期宇宙條件、製造暗物質。它不會丟失能量，直接離開探測器。可從不對稱的動能分佈的事例，反推暗物質的存在與特性。

2. 間接測量 (Indirect Detection)：暗物質在太陽或遙遠的星系中因重力作用聚集，部份湮滅而產生如正負電子、質子、微中子等標準粒子。天文觀察得出這些粒子的能譜，若與天體系統預期的背景不相符合，就可能是暗物質的訊號。

3. 直接測量 (Direct Detection)：在極低輻射環境的實驗場地設置探測器，穿過地球的暗物質會有微小機率在此產生交互作用。測量的數據若與預期的背景不符，且其年度調節效應(annual modulation effect)與暗物質模型一致，可成暗物質的證據。

4. 分析天文物理、宇宙學、重力波的數據，嘗試搜尋暗物質在星體中和星際間交互作用下產生的蛛絲馬跡。

圖三：搜尋WIMP暗物質實驗方向的示意圖。

在直接測量實驗中，如圖四所示，WIMP暗物質粒子與探測器中的原子核產生彈性散射(elastic scattering) 的交互作用。暗物質的動能因此而傳至原子核，變成其反冲能量 (nuclear recoil energy)。不同的探測器，以不同的偵測機制 (電荷—ionization detector、光能--scintillator、熱能 – bolometer)， 將此能量轉換成訊號。其中部分實驗可同時偵測同一事例的兩類訊號，可分辨原子核訊號與電子反冲(electron recoil)事例，增強其抑制背景的能力 (這就像需要一雙眼睛，才能建構三維空間)。此外，因為暗物質在星際間穿梭，它與地球的相對速度四季有異，導致交互作用的多寡會產生年度調節的效應。長時間觀察的實驗，也在搜尋這類訊號。

圖四：WIMP暗物質直接測量實驗示意圖，包括以電荷、光能與熱能的偵測原子核反冲的訊號，及長期觀察年度調節效應。

暗物質直接搜尋的實驗結果，多以如圖五的排除圖(exclusion plot)表示，說明在交互作用強弱及暗物質重量的參數空間中，那區域範圍因與數據不符而被排除，那範圍則還沒有被檢驗、依舊有效。其中『微中子霧』(neutrino fog) 的區域，就是因太陽及大氣微中子在探測器中，也能產生原子核反冲的背景事例，極難與暗物質事例區分。在下代實驗中，液態惰性氣體探測器(liquid noble gas detectors)將持續增大探測器重量，搜尋高質量WIMP暗物質；半導體與低溫熱能探測器(semiconductor and cryogenic bolometers)，目標則在減低能量閾值(energy threshold)，探索較輕的WIMP暗物質。 

圖五：示意圖說明以非自旋交互作用(spin independent interaction)為例子的暗物質直接搜尋的排除圖，可見微中子霧(neutrino fog)的區域，及未來實驗增大探測器質量和減低能量閾值可探索的空間。

台灣學界在暗物質搜尋實驗中，並沒有缺席。國內有數團隊，參與歐洲粒子物理實驗中心 CERN 『大強子對撞機』(Large Hadron Collider) 中的 ATLAS及 CMS 實驗，其中項目包括WIMP的製造和偵測。至於國際太空站 (International Space Station) 的 AMS 探測器，則是間接測量的旗艦實驗。筆者主持的『台灣微中子實驗』(TEXONO) 國際團隊，在北部台灣電力公司第二核能『國聖』發電廠內，蓋建了實驗裝置。我們推展高純鍺探測器(high purity germanium detector)技術，開啟了低能區偵測視窗，長年耕耘於微中子物理(neutrino physics)與暗物質的直接測量。TEXONO計畫的經驗與積累技術，催生了位於四川的『錦屏山地下實驗室』(China Jinping Underground Laboratory CJPL)，並成為 『盤古』(CDEX) 暗物質搜尋實驗的骨幹成員。圖六為CDEX下階段計畫的示意圖。

圖六：四川錦屏山地下實驗CJPL 中CDEX實驗示意圖。總量50 kg的高純鍺探測器置放於直徑13 m的液氮低溫恆溫器中，搜尋暗物質。

知往鑒今 -- 19世紀行星軌跡超越標準模型理論的故事

測量到的『宇宙能量密度』，並不能用標準模型解釋。此問題真實存在，證據確鑿、非常根本。但這能量性質為何，只有理論猜想，沒有實驗數據支持。我們並不能預言暗物質問題的後續故事及最終的正確答案， 但我們可從科學發展的歷史中，吸取啟示和教訓。

在科學史中，我們經歷過度多次這樣的『危機』。 古希臘人已用實驗方法證實空氣的存在，但人類科學發展需2000多年才瞭解它的組成（氧氣、氮氣、稀有氣體…），而這些成份構成了元素週期表(periodic table of elements)的重要部分。在19世紀末，法國科學家Becquerel發現，當以膠卷包裹某些礦石時，它會呈現模糊的圖像，這意味著還有我們仍不瞭解的物質。這異常的觀察促成了亞原子粒子(sub-atomic particles)的發現，演化成100多年後粒子物理的標準模型、成就了對5%宇宙的字母與文法之描述。

在19世紀初，古典物理(classical physics)就是科學對宇宙的認知。牛頓的萬有引力理論，就是當時前沿的『標準模型』。與此同時，我們已有極長時間的天體觀察數據，且發現其中有兩課題表現異常、與理論預測值不符。其一是天王星的軌跡(Uranus’ orbit, 1845)，此難題很快於1846年已被破解，這就是海王星(Neptune)的理論預測與其後在天文觀察中發現。 其二則是水星軌跡(Mercury’s orbit, 1859)的異常，這問題則須延宕半世紀，至愛恩斯坦於1915年以廣義相對論(General Relativity)，開展更完整的理論描述重力作用，才得以解答。這歷史發展的教訓是：驟看極相似的問題(行星軌跡觀察數據與理論預測有矛盾)，卻可以引領出截然不同的答案(增加字母對應於改變其文法)。

更具啟示的發展就是：在19世紀的後半期，前沿科學剛經歷海王星預測及發現的空前成功，但同時卻面對水星軌跡異常的謎團。當時全球頂尖的『武林高手』，很自然的會聚焦於利用增加字母的方法，去面對這新問題的挑戰，那就是搜尋近太陽的內行星(inner planets)。在觀測上，不可避免的出現了只具邊緣統計重要性(marginal statistical significance)的數據，曾被誤判為真正的發現，但同時卻為其他觀察數據所反駁。與此同時，假定內行星(名曰Vulcan*)存在的理論研究，也在積極發展。在數十年間，學界為此問題熱議激辯。最後，沒有證據支持內行星的存在。從這些『失敗』重新出發，愛恩斯坦以優越的物理洞察力與深厚的數學技巧，開展廣義相對論，破解謎團。人類對宇宙的認識與描述，有了革命性、顛覆性的進展，還將之應用成了電訊科技與全球定位系統(GPS)的關鍵技術。(* 題外話： Vulcan 字源為古羅馬的火神。1960年代極成功的科幻電視劇集 Star Trek，以此為外星類人故鄉星球，演化成流行媒體用詞。)

科學研究的最前沿是模糊、不確定、具爭議性、可多方向演繹、極容易出錯的。發現、創制、確立深遠廣博的基礎問題，是曲折迂迴漫長的過程。找到正確答案、加深對宇宙萬物的理解，同樣需要長時間的從失敗中學習、反覆驗證、去蕪存菁。科學研究中『以數據判斷對錯、眞偽、優劣』的傳統，就是能解破宇宙謎團最成功、最可靠、最有效的『作業系統』。在科技發展史中，無數突破都在這平台上實現。科學發展的過程與科學方法的嚴謹，就如科學內容的奧妙，同樣引人入勝、迷人醉人、充實生活、豐富生命。我們應具信心人類科學能迎接挑戰，最終解答這『宇宙能量』的謎題，大幅擴展對宇宙的瞭解。

參考文獻

入門者可從宏觀的科普文章及影音網站開始。筆者有計畫與同學合作，撰寫推薦材料清單。

• 更具深度的資料，可以 Wikipedia 作入口網站搜尋跟進。

• 準備研究的資料，可以 Particle Data Group 作入口網站， 暗物質的綜述論文在 Reviews, Tables and Plots,  No.27 (2026)。