地球做偵測器：暗物質搜尋的最新前線

數十年來，暗物質的搜尋一直圍繞著越來越大的地下容器和越來越冷的晶體。然而，在2025年和2026年，這場搜尋出現了多個新轉折。研究人員現在提議將地球本身用作偵測器、部署冷卻至接近絕對零度的超流體氦，並將對撞機實驗推向極限。與此同時，暗物質的主要替代理論——修正牛頓動力學(MOND)——正面臨其迄今為止最嚴峻的觀測挑戰。

將地球用作巨型暗物質偵測器

來自京都大學、廣島大學和日本大學的合作團隊提出將地球本身用作暗物質的巨型偵測器。該方法於2026年8月5日以研究新聞稿形式發表，利用地球的巨大體積來捕捉穿過地球的暗物質粒子的罕見相互作用。「我們捫心自問，能否將地球本身用作搜尋中的巨型偵測器？」通訊作者樽家篤史(Atsushi Taruya)表示。地球-離子層空腔作為一種共振結構，可以放大微弱的信號。

另外，由廣島大學的西澤敦(Atsushi Nishizawa)領導的團隊提出，透過監測超低頻的地球磁場波動來搜尋軸子暗物質，將地球的自然磁環境視為偵測介質。當質量介於1×10⁻¹⁵ eV和1×10⁻¹³ eV之間的軸子穿過地球時，理論預測它們會與全球地磁場相互作用，產生可偵測的電磁波。

日本在礦物偵測方面也處於領先地位。第三屆「礦物偵測微中子與暗物質」(MDνDM'25)會議於2025年5月在橫濱舉行，由日本海洋研究開發機構(JAMSTEC)主辦，重點是使用礦物沉積物作為天然的、長時間曝光的粒子偵測器。

MOND的現狀：暗物質替代理論面臨新考驗

修正牛頓動力學(MOND)提出，重力在低加速度下的行為會有所不同，從而無需引入看不見的暗物質。它成功預測了星系的自轉曲線，但最近的證據對其構成了重大挑戰：

• 2026年5月一項關於銀河系動力學的研究發現，數據強烈偏愛暗物質而非修正重力模型（MOND和STVG），以>13σ的顯著性排除MOND，以>4σ排除STVG。這打破了先前重子結構與重力定律之間的簡併。
• 2026年6月對子彈星系團的重新分析發現，觀測結果仍可能與無需暗物質的替代解釋一致，但如果暗物質存在，其數量可能遠低於先前的假設。
• 2025年5月的一篇綜述結論指出，MOND成功地解釋了星系旋轉曲線，但在星系團尺度上失敗了。最嚴重的問題在於，即使使用MOND進行分析，星系團仍顯示出殘餘的質量差異。
• 另一項2025年使用矮星系的研究發現，MOND的預測無法複製觀測到的行為，而暗物質模型則能自然地解釋數據。

目前的科學共識仍然是，相較於修正重力，暗物質作為對全套宇宙學和天體物理學數據的解釋更受青睞。

新的偵測器計畫：海德堡的DELight

2026年4月，德國研究基金會(DFG)批准了530萬歐元用於資助DELight實驗——一項使用超流體氦-4作為目標材料來直接搜尋輕暗物質的計畫。該聯盟由海德堡大學主導，合作夥伴包括卡爾斯魯厄理工學院(KIT)和弗萊堡大學。

DELight專注於質量極低的粒子作為暗物質候選者，Kathrin Valerius教授解釋道。該偵測器使用配備大面積磁微熱量計(LAMCALs)的超冷超流體氦，最佳化用於偵測會產生微小能量沉積的極低質量暗物質粒子。氦具有多項優勢：其低核質量與內在的放射性純淨度使其成為低閾值實驗的理想選擇，並且能實現可擴展的偵測器設計。

海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)的OMNIA研究小組也透過微引力透鏡和天體粒子實驗積極參與暗物質搜尋。

CERN的FASER實驗：推進暗光子搜尋的極限

大型強子對撞機上的FASER（前向搜尋實驗）持續產出成果。2026年4月，它報告了使用LHC Run 3期間的177 fb⁻¹質子-質子對撞數據對暗光子進行的新搜尋。暗光子是假設中「暗 sector」的媒介，可能解釋暗物質。

FASER的新搜尋使用了2022年至2024年間收集的數據，對應於13.6 TeV質心能量下177 fb⁻¹的累積光度。觀測到的極限排除了質量約在10至150 MeV之間、耦合常數約為10⁻⁵–10⁻⁄的暗光子，從而排除了部分宇宙學上可行的參數空間。CERN的EP-News在2026年6月強調，FASER已為暗 sector和TeV尺度微中子物理學打開了新窗口。

更宏觀的圖景

這個領域正從多條戰線推進——地球尺度的自然偵測器（日本）、新型專用低溫實驗（海德堡的DELight）、對撞機上的暗 sector搜尋（CERN的FASER），以及暗物質範例與修正重力替代理論之間的持續張力。直接探測尚未發現暗物質，但實驗的靈敏度正在迅速提高。下一代偵測器如DarkSide-20k、DARWIN/XLZD和PandaX-xT正處於設計、研發或建造階段。