今天剛在 Astrobite 上看到這篇報導，將類似於核飛跡定年的技術用於搜尋暗物質粒子，同時橫跨地質與天文物理領域，相當有趣。 動機：搜尋暗物質的蹤影 相信很多人都聽過，自 20 世紀初以來，天文學家和宇宙學家不斷發現各式各樣的證據，暗示我們宇宙中存在著許多「幾乎不會與光作用」的物質存在，稱為暗物質。粒子物理學家們於是提出各種不同模型（如軸子、WIMPS 等），試圖解釋這些粒子的來源與本質。而實驗物理學家則建造各式各樣的儀器，期待能夠探測到理論中預期的這些粒子。然而經過數十年的努力，至今仍沒有任何實驗找到暗物質存在的有力證據。 為什麼沒有偵測到？ 無法偵測到暗物質粒子的因素可能有很多。 一種典型的觀點是，基於海量的天文觀測證據，暗物質多半真的存在，沒有偵測到可能只是現有儀器的能力仍不夠好。哪裡不夠好呢？與拍照類似，一項儀器能否偵測到訊號，取決於儀器的靈敏度、曝光的時間以及背景雜訊的強度。因此人們在設計儀器的時候，要嘛會選擇想辦法拉高儀器本身的靈敏度（比如用各種新材料），或是降低雜訊（比如把儀器放在地底隔絕宇宙射線），又或是把實驗的時間努力拉長。但在怎麼把時間拉長，人的一生了不起上百年，能夠達到的效果實在有限。 此時，有些物理學家找到了新的突破口： *或許自然界早已存在天然的暗物質偵測器，我們要做的只是把它們找出來分析？* 礦物中的線索 記得自己高中讀到核飛跡（fission tracks）的時候覺得這真是很酷的東西，它源自粒子穿過礦物晶格時留下的痕跡，被廣泛用於地質定年上。這篇論文提出的方法，其原理與核飛跡大同小異。當暗物質粒子恰好撞上晶格中的原子核時，它會將原子核撞飛出去，並使其在晶格中留下奈米級的細小痕跡。這些細小的痕跡，可以藉由硬 X 射線等顯微技術觀測，從而反推出有多少暗物質粒子曾與這塊礦物發生反應。這種拿礦物來測量暗物質的方法被稱為「古探測器 Paleo-Detectors」。 論文內容 以這些想法為基礎，這篇論文建立了一套方法（或說模型），讓我們能夠從不同年代地礦物內核飛跡的能譜，推導出地球曾經在什麼時候通過密度多大的暗物質，從而去測量銀河系內暗物質分布的結構，比如暗物質盤（Dark disk）、小暗物質暈（Dark Matter subhalo）等。Astrobite 上這篇文章的作者還引用了詩人威廉·布萊克的話，說這些 Paleo-Detectors 真的能讓我們 see a world in a grain of sand。 主流天文物理對星系結構的想像。除了會發光的恆星、氣體，仍有大量的暗物質瀰漫其中，一般稱為暗物質暈。 暗物質們也並不是一個簡單而平滑的瀰漫在星系中，可能存在小的暗物質團塊、暗物質盤等小尺度的結構。 嚴格來說我放的這兩張圖不是很好......但懶得想更好的圖了XD 圖片來源：illustrisTNG 相關連結 2021 最新成果 Astrobite 介紹 2021 最新成果 ArXiv 論文連結 2020 Physical Letter B 論文連結 2018 相關成果 Astrobite 介紹 2018 成果 ArXiv 論文連結
