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2007年12月26日凌晨3：30，麦克默多，南极。
负责释放科学实验气球的工作人员在零下40多度的气温下彻夜未眠，等待着风力减退。最后总算天从人愿，充着上百万立方米氦气的大气球终于升空了。气球上搭载有科学仪器，科学家要用它来开展宇宙线实验。
在随后的19天里，气球在南极上空飘了一圈，收集了大量数据。经过紧张处理，一年之后，实验人员宣布了一条重大消息：他们探测到高能电子比预期的要多。这个结果听起来似乎没什么，但在内行人的眼里却意义重大，这些高能电子或许正是“神龙见首不见尾”的暗物质向我们泄露的蛛丝马迹。
捕捉到了
暗物质粒子的行踪
暗物质是天文学上的后来者，这种不可见的物质被认为占宇宙中物质总量的80%以上。它好比宇宙的“脚手架”，没有它的引力，星系和星系团就会四散飞离。可是除了引力，它跟普通物质几乎没有相互作用，因此组成暗物质的是什么粒子，在科学上一直是个谜。目前可以肯定的是，暗物质粒子大概只参与弱力和引力作用，而且具有较大的质量。物理学家一般笼统地称其为“弱相互作用大质量粒子（英文缩写WIMP）”。
但事实上，满足这两个特征的粒子理论上不止一种。因此，物理学家的任务就是结合实验，把真正的暗物质粒子筛选出来。没有比这件事更艰难和扑朔迷离的了。
早在1990年代，搭载于美国“发现号”航天飞机上的磁谱仪就在太空中探测到比预期更多的正电子，此后，搭载于高空气球上的反物质探测器也观察到了同样现象。但由于这些实验误差太大，人们还不敢确认这一结果是否属实。
就在科学家进行南极实验之前几个月，意大利的一个研究小组报道说，他们在基于人造卫星的实验中也发现了比预期要多的高能电子。后两次实验相当精确，因此看来结果已经不再含糊。天体物理学家长久以来一直努力从不涉及暗物质的寻常途径来解释这些多出的正负电子。如果寻常途径解释不通，那么最大的可能是它们来自WIMP粒子的湮灭。
按照理论家的设想，这种WIMP粒子的质量是质子的600到1000倍，不论它们在何处大量积聚，都会因相互碰撞而湮灭，释放出像正负电子和质子之类的普通粒子。这些次生的粒子很容易跟宇宙线与星际尘埃碰撞时产生的粒子混在一起，使我们难以辨认它们究竟来自暗物质还是来自宇宙线。
谁是暗物质粒子？
如今，事情是如此激动人心。但当人们试图辨别这种WIMP粒子是什么粒子的时候，却陷入了困境。
原来，自1980年代以来，WIMP的首选粒子是“中性微子”——一种理论上假想的稳定粒子。这种粒子，物理学家一开始并不是为了暗物质，而是为了修正粒子物理的标准模型而提出来的。它质量足够大，与普通物质只有弱相互作用，这一切刚好符合暗物质粒子的条件，而最重要的是，它在早期宇宙中的密度刚好可以解释我们今天观察到的暗物质分布。
然而，上述几个实验的结果却对暗物质粒子给出了额外的限制条件，而中性微子似乎满足不了这个条件。根据物理学家对中性微子的理解，它们湮灭时产生少量的高能电子和大量的低能电子。可是上述实验观察到的却相反：高能电子比低能电子要多得多。此外，中性微子湮灭按理应该还要产生正反质子，但实验中却没有观察到。这些证据不得不把中性微子排除在外。
于是人们现在倾向于另一种暗物质粒子候选者，这种粒子叫“卡鲁扎-克莱因”粒子。它最初是在1930年代提出来的。当时，德国物理学家卡鲁扎和克莱因为了统一引力和电磁力，假想存在空间的额外维度，而卡鲁扎-克莱因粒子就是这一理论的副产品。
根据卡鲁扎-克莱因的理论，像电子这类已知的粒子，当它们进入蜷缩的、隐藏起来的空间额外维度时，会以不同的速度运动。在额外维度运动的能量在我们这个世界表现为质量。所以，一个在更高维度运动的电子在我们看来就变成了更重的卡鲁扎-克莱因电子。这些重粒子是短寿命的，会衰变为较轻的粒子，而它衰变的产物正好具有暗物质的性质。
卡鲁扎-克莱因粒子还有另外一个迷人之处。当它们相互碰撞并湮灭时，就转化为正负电子或者正反μ子，而这些粒子的能量刚好与上述几个实验的结果相符合。
如果科学家能够证明卡鲁扎-克莱因粒子存在，那么他们不仅解决了暗物质难题，还将证实空间除了上下、左右、前后等维度外，还存在更高的维度。这真是一箭双雕的大好事。
我们身边隐藏着
一个暗世界？
宇宙除了可能具有更高维度，暗物质或许还告诉我们，宇宙比我们想象的还要奇怪。
事情还得追溯到2002年。这一年欧洲宇航局发射的伽马射线卫星在银河系中探测到能量为511KeV的光子。经过认真排查，它们看来不像来自寻常的天体。
难道这些光子也来自暗物质？美国哈佛大学的一位物理学家经过计算表明，如果WIMP粒子在相互碰撞时能进入一个激发态，那么它们回到基态时，就可以发射出511KeV的光子。
但是要想让上述计算成立，必须假设WIMP粒子通过一种新的相互作用力作用。日常的作用力，像电磁力是靠光子在电荷间彼此传递的。同样的道理，新的力也需要一种假想的粒子在WIMP之间传递，这种粒子的质量与质子相近。
暗物质，暗物质粒子，暗相互作用力，传递暗相互作用力的粒子……看来已经具备了一个独立的隐世界的所有条件了。这个隐世界可能与我们这个可见的世界一样复杂，甚至与我们比邻而居，只是因它与我们这个世界很少交流（即相互作用），我们才觉察不到它。
引入暗作用力甚至还可以把目前所有有关暗物质的实验结果给统一起来。比如说，假设WIMP粒子之间存在暗相互作用，那湮灭的概率就提高了100至1000倍（好比引力的存在提高了天体之间碰撞的概率一样），这样一来正好可以解释本文最初提到的实验结果，因为要是湮灭概率太低，我们就很可能观察不到湮灭产生的高能电子。
计算还表明，当WIMP粒子湮灭时，还会产生传递暗相互作用力的粒子，而后这些粒子将发生衰变。因为它们的质量差不多与质子相等，要衰变成质子和反质子显得太轻了，所以只能衰变成更轻的电子和正电子了。这或许就是我们为什么探测到的正负电子比预期的要多，而又探测不到正反质子的原因。
负责释放科学实验气球的工作人员在零下40多度的气温下彻夜未眠，等待着风力减退。最后总算天从人愿，充着上百万立方米氦气的大气球终于升空了。气球上搭载有科学仪器，科学家要用它来开展宇宙线实验。
在随后的19天里，气球在南极上空飘了一圈，收集了大量数据。经过紧张处理，一年之后，实验人员宣布了一条重大消息：他们探测到高能电子比预期的要多。这个结果听起来似乎没什么，但在内行人的眼里却意义重大，这些高能电子或许正是“神龙见首不见尾”的暗物质向我们泄露的蛛丝马迹。
捕捉到了
暗物质粒子的行踪
暗物质是天文学上的后来者，这种不可见的物质被认为占宇宙中物质总量的80%以上。它好比宇宙的“脚手架”，没有它的引力，星系和星系团就会四散飞离。可是除了引力，它跟普通物质几乎没有相互作用，因此组成暗物质的是什么粒子，在科学上一直是个谜。目前可以肯定的是，暗物质粒子大概只参与弱力和引力作用，而且具有较大的质量。物理学家一般笼统地称其为“弱相互作用大质量粒子（英文缩写WIMP）”。
但事实上，满足这两个特征的粒子理论上不止一种。因此，物理学家的任务就是结合实验，把真正的暗物质粒子筛选出来。没有比这件事更艰难和扑朔迷离的了。
早在1990年代，搭载于美国“发现号”航天飞机上的磁谱仪就在太空中探测到比预期更多的正电子，此后，搭载于高空气球上的反物质探测器也观察到了同样现象。但由于这些实验误差太大，人们还不敢确认这一结果是否属实。
就在科学家进行南极实验之前几个月，意大利的一个研究小组报道说，他们在基于人造卫星的实验中也发现了比预期要多的高能电子。后两次实验相当精确，因此看来结果已经不再含糊。天体物理学家长久以来一直努力从不涉及暗物质的寻常途径来解释这些多出的正负电子。如果寻常途径解释不通，那么最大的可能是它们来自WIMP粒子的湮灭。
按照理论家的设想，这种WIMP粒子的质量是质子的600到1000倍，不论它们在何处大量积聚，都会因相互碰撞而湮灭，释放出像正负电子和质子之类的普通粒子。这些次生的粒子很容易跟宇宙线与星际尘埃碰撞时产生的粒子混在一起，使我们难以辨认它们究竟来自暗物质还是来自宇宙线。
谁是暗物质粒子？
如今，事情是如此激动人心。但当人们试图辨别这种WIMP粒子是什么粒子的时候，却陷入了困境。
原来，自1980年代以来，WIMP的首选粒子是“中性微子”——一种理论上假想的稳定粒子。这种粒子，物理学家一开始并不是为了暗物质，而是为了修正粒子物理的标准模型而提出来的。它质量足够大，与普通物质只有弱相互作用，这一切刚好符合暗物质粒子的条件，而最重要的是，它在早期宇宙中的密度刚好可以解释我们今天观察到的暗物质分布。
然而，上述几个实验的结果却对暗物质粒子给出了额外的限制条件，而中性微子似乎满足不了这个条件。根据物理学家对中性微子的理解，它们湮灭时产生少量的高能电子和大量的低能电子。可是上述实验观察到的却相反：高能电子比低能电子要多得多。此外，中性微子湮灭按理应该还要产生正反质子，但实验中却没有观察到。这些证据不得不把中性微子排除在外。
于是人们现在倾向于另一种暗物质粒子候选者，这种粒子叫“卡鲁扎-克莱因”粒子。它最初是在1930年代提出来的。当时，德国物理学家卡鲁扎和克莱因为了统一引力和电磁力，假想存在空间的额外维度，而卡鲁扎-克莱因粒子就是这一理论的副产品。
根据卡鲁扎-克莱因的理论，像电子这类已知的粒子，当它们进入蜷缩的、隐藏起来的空间额外维度时，会以不同的速度运动。在额外维度运动的能量在我们这个世界表现为质量。所以，一个在更高维度运动的电子在我们看来就变成了更重的卡鲁扎-克莱因电子。这些重粒子是短寿命的，会衰变为较轻的粒子，而它衰变的产物正好具有暗物质的性质。
卡鲁扎-克莱因粒子还有另外一个迷人之处。当它们相互碰撞并湮灭时，就转化为正负电子或者正反μ子，而这些粒子的能量刚好与上述几个实验的结果相符合。
如果科学家能够证明卡鲁扎-克莱因粒子存在，那么他们不仅解决了暗物质难题，还将证实空间除了上下、左右、前后等维度外，还存在更高的维度。这真是一箭双雕的大好事。
我们身边隐藏着
一个暗世界？
宇宙除了可能具有更高维度，暗物质或许还告诉我们，宇宙比我们想象的还要奇怪。
事情还得追溯到2002年。这一年欧洲宇航局发射的伽马射线卫星在银河系中探测到能量为511KeV的光子。经过认真排查，它们看来不像来自寻常的天体。
难道这些光子也来自暗物质？美国哈佛大学的一位物理学家经过计算表明，如果WIMP粒子在相互碰撞时能进入一个激发态，那么它们回到基态时，就可以发射出511KeV的光子。
但是要想让上述计算成立，必须假设WIMP粒子通过一种新的相互作用力作用。日常的作用力，像电磁力是靠光子在电荷间彼此传递的。同样的道理，新的力也需要一种假想的粒子在WIMP之间传递，这种粒子的质量与质子相近。
暗物质，暗物质粒子，暗相互作用力，传递暗相互作用力的粒子……看来已经具备了一个独立的隐世界的所有条件了。这个隐世界可能与我们这个可见的世界一样复杂，甚至与我们比邻而居，只是因它与我们这个世界很少交流（即相互作用），我们才觉察不到它。
引入暗作用力甚至还可以把目前所有有关暗物质的实验结果给统一起来。比如说，假设WIMP粒子之间存在暗相互作用，那湮灭的概率就提高了100至1000倍（好比引力的存在提高了天体之间碰撞的概率一样），这样一来正好可以解释本文最初提到的实验结果，因为要是湮灭概率太低，我们就很可能观察不到湮灭产生的高能电子。
计算还表明，当WIMP粒子湮灭时，还会产生传递暗相互作用力的粒子，而后这些粒子将发生衰变。因为它们的质量差不多与质子相等，要衰变成质子和反质子显得太轻了，所以只能衰变成更轻的电子和正电子了。这或许就是我们为什么探测到的正负电子比预期的要多，而又探测不到正反质子的原因。