大卫·安格洛（David D'Angelo）并不总是对暗物质感兴趣，但现在他已成为寻找宇宙中最难以捉摸的粒子的最前沿。
距罗马约一个小时的车程，有一排叫做
Gran Sasso d'Italia的密集山脉。 他们以自然风光闻名，全年吸引游客，冬季提供世界一流的滑雪胜地和远足径，夏季则提供游泳的机会。 对于现年43岁的意大利物理学家大卫·安杰洛（David D'Angelo）来说，这些山脉就像第二故乡。 与大多数前往Gran Sasso的游客不同，D'Angelo在山下而不是在山上度过大部分时间。
在那里，D'Angelo在地球表面以下数千米的洞穴状空间中进行了新一代实验，致力于寻找暗物质的粒子-一种已经存在了几十年但尚未得到实验证明的奇异物质。
据认为，暗物质占宇宙的27％，这种难以捉摸的物质的描述是现代物理学中最严重的问题之一。 尽管安格洛乐观地相信在他的一生中将会取得突破，但是上一代物理学家却以同样的方式思考。 原则上，很有可能根本不存在安格洛想要的粒子。 但是，对于探究宇宙基本本质的物理学家来说，正如安格洛所说的那样，在“寻鬼”中追求整个职业的机会是推进科学的代价。
“大石头”下面是什么？
1989年，意大利国家核物理研究所在格兰萨索开设了
国家实验室 ，这是世界上最大的致力于天体物理学的地下实验室。 在格兰萨索（Gran Sasso）遍布着三个地下洞穴，是专门为物理学家建造的-这对于研究中心而言是一个非常别致的环境。 大多数地下天体实验室，例如
SNOLAB ，都是使用旧的或运行中的矿山自发安排的，这一事实限制了可以在实验室中花费的时间以及所用设备的类型。
格兰萨索（Gran Sasso）位于地下一公里处，以保护其免受嘈杂的宇宙射线冲刷地球的影响，它躲避了粒子物理学的几次实验，探索了宇宙的基础。 在过去的几年中，D'Angelo通过主动背景抑制实验（
SABER ）在
Borexino天文台和碘化钠之间共享了他的图表，该实验分别研究太阳中微子和暗物质。
D'Angelo带有可用的SABRE原型在过去的100年中，太阳中微子和暗物质的描述被认为是粒子物理学中最重要的任务。 今天，太阳中微子的奥秘已经解决，但是物理学家仍然非常关注这些粒子，因为它们提供了许多有关太阳和其他恒星中发生核聚变的信息。 但是，暗物质的组成仍然被认为是核物理学中最大的问题之一。 尽管这些粒子的性质完全不同，但它们的研究问题仍然相关，因为这些粒子只能在最小背景辐射的条件下（在地下数千米内）被检测到。
达安吉洛说：“山脉就像盾牌一样运作，因此，如果您在山下，您会体验到所谓的”宇宙寂静”。 “这是我研究中最喜欢的部分：您进入山洞，开始使用探测器，并尝试理解您看到的信号。”
毕业后，D'Angelo在意大利国家核物理研究所找到了一份工作，他的研究重点是太阳中微子，无核的亚原子粒子，这是由太阳核聚变产生的。 在过去的四十年中，太阳中微子一直是天体物理学最大谜团之一的中心。 问题在于，测量太阳中微子能量的仪器所产生的结果要比
标准模型所预测的结果少得多。
标准模型是物理学中最基本的粒子理论。
考虑到标准模型在宇宙学其他方面的准确性，物理学家不想对其进行更改以解决这一差异。 一种可能的解释是物理学家构造了错误的太阳模型，因此有必要对太阳核心的压力和温度进行改进的测量。 但是，在60年代和70年代进行了一系列观察之后，发现总体上来说，太阳的模型是正确构成的，然后物理学家转向中微子进行替代解释。
三个中微子的故事
自从奥地利物理学家
沃尔夫冈·保利 （
Wolfgang Pauli）在1930年代首次提出
中微子的存在以来，
中微子就一直受到吸引，以填补理论中的空白。 在鲍里（Pauli）的案例中，假设存在极轻的粒子而没有电荷，这是“绝望的手段”，可以解释为什么能量守恒定律在放射性衰变期间不起作用。 三年后，意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）给这些假想的粒子起了个名字。 他称它们为“
中微子 ”，在意大利语中意为“小型中子”。
保利（Pauli）作出假设后25年，两名美国物理学家报告了核反应堆中中微子的第一个证据。 第二年，1957年，在苏联工作的意大利裔物理学家
布鲁诺·马克西莫维奇·庞特科沃 （
Bruno Maksimovich Pontecorvo）提出了
中微子振荡理论。 当时，对中微子的性质研究不足，庞特科沃建议存在几种类型的中微子。 他建议在这种情况下，中微子可能会改变其类型。
到1975年，庞特考沃的理论得到了证明。 发现了三种不同类型的中微子或“芳香剂”：电子，介子和tau。 同样重要的是，在南达科他州的一项实验中观察到，太阳产生了电子中微子。 唯一的问题是，在实验中检测到的中微子数量少于标准模型所预测的数量。
直到90年代后期，几乎没有证据表明中微子可以从一种味道传递到另一种味道。 1998年，一组在日本
超级神冈天文台工作的研究人员观察到了大气中微子振荡，这主要是由于光子与地球大气层的相互作用而引起的。 三年后，在加拿大
萨德伯里天文台 （SNO）获得了太阳中微子振荡的第一个直接证据。
温和地说，这已成为宇宙学中的重大事件。 将缺少的太阳中微子的奥秘，或为什么在实验中观察到约有三分之一的中微子从太阳飞出，与标准模型的预测进行了比较。 如果中微子能够振荡并改变香气，那么太阳核心发射的中微子到达地球时就已经具有不同的类型。 直到80年代中期，在地球上的大多数实验中，仅搜索了电子中微子，这意味着它们错过了从太阳到地球的路径中出现的其他两种味道。
在80年代构思SNO时，就对其进行了设计，以便可以检测所有三种类型的中微子，而不仅仅是电子中微子。 这个决定得到了回报。 2015年，超级神敢大和SNO实验主任分享了
诺贝尔物理学奖 ，以解决缺失的太阳中微子之谜。
Boreksino的探测器尽管太阳中微子的奥秘已经解决，但要更好地理解它们，科学界还有许多工作要做。 自2007年以来，格兰萨索（Gran Sasso）的Borexino天文台改善了太阳中微子振动的测量，为物理学家提供了有关以太阳为食的核聚变的前所未有的信息。 在外部，天文台看起来像一个巨大的金属球，在内部，它看起来像是来自另一个星球的技术。
实际上，在球体的中心是一个巨大的透明尼龙袋，直径为10 m，厚度为半毫米。 袋子中装有液体
闪烁体 ，这是一种化学混合物，当中微子通过时会释放能量。 该尼龙球悬浮在数千吨的纯净缓冲液中，并被2200个传感器包围，这些传感器能够检测电子发出的能量，当中微子与液体闪烁体相互作用时，电子会释放能量。 还有另一种缓冲液，由3,000吨超纯水组成，为检测器提供了额外的保护。 所有这些共同为世界上所有液体闪烁器提供了对天文台最大的保护，使其免受外界辐射。
在过去的十年中，包括在2011年加入该项目的D'Angelo在内的Borexino的物理学家一直在使用这种独特的装置
观察太阳核中核聚变期间质子碰撞产生的低能太阳中微子。 鉴于几乎没有物质来检测这些几乎没有物质的超轻粒子是多么困难，如果没有这种灵敏的机器，
检测低能太阳中微子实际上是不可能的。 当SNO直接检测到太阳中微子的第一次振荡时，由于背景辐射的干扰，他只能观察到能量最高的太阳中微子。 这仅占太阳发出的中微子的
0.01％ 。 Boreksino的敏锐度使他能够以比SNO发现的能量低一个数量级的能量观察太阳中微子，这为创建极其精细的太阳过程模型和诸如超新星等奇特现象提供了可能性。
D'Angelo告诉我：“物理学家花了40年的时间才弄清楚太阳中微子，这是最有趣的粒子物理学之谜之一。” “有点像现在的暗物质。”
避开暗物质
如果中微子是20世纪的神秘粒子，那么暗物质就是我们这个时代的难题。 保利提出用中微子作为绝望手段来解释为什么实验似乎违反了自然的最基本定律之一的方式，也暗示了暗物质粒子的存在，因为宇宙学的观察没有收敛。
在1930年代初期，美国天文学家
弗里茨·兹维克 （
Fritz Zwicky）研究了维罗妮卡发簇中的几个星系的运动，维罗妮卡发簇是1000多个星系的集合，距地球约3.2亿光年。 利用
埃德温·哈勃 （
Edwin Hubble）发布的数据，兹维克计算了维罗妮卡的头发整个银河系团的质量。 完成后，他发现了星系
速度分散性 （一组物体的速度统计分布）中的一些奇怪现象：速度分布比基于物质量计算出的值高12倍。
在格兰萨索的实验室这是一个意想不到的计算，它的重要性未能逃脱兹维奇。
他写道： “如果这一点得到证实，我们将获得令人惊讶的结果，根据该结果，暗物质将比发光物质多得多。”
在兹维基时代，宇宙主要由看不见的物质组成的观点似乎是激进的，直到今天仍然如此。 但是，主要的区别在于，当今的天文学家有更多的经验证据表明了它的存在。 在很大程度上，这可以归因于美国天文学家
维拉·鲁宾 （
Vera Rubin） ，他对1960年代和70年代星系自转的测量消除了对暗物质存在的所有怀疑。 根据鲁宾的测量和随后的观察，物理学家认为，暗物质
占宇宙
中所有物质的约
27％，是我们所知的普通重子物质的七倍。 主要问题是它由什么组成？
自从开创性观察以来，鲁宾已经为暗物质粒子的标题提供了许多候选方法，但是到目前为止，即使是世界上最敏感的仪器，它们都避免了检测。 部分原因是物理学家不太确定自己在寻找什么。 一小部分物理学家通常认为，暗物质可能不是粒子，而可能是奇特的引力效应。 这使得实验设计类似于在最近找到钥匙的体育场附近的停车场内寻找汽车。 这辆车有可能在停车场，但是您必须绕过许多门直到找到它-如果它在那儿。
在暗物质的候选物质中，亚原子粒子具有愚蠢的名称，例如
轴子 ，
引力子 ，
巨大的天体物理致密晕 （MACHO）和
弱相互作用的巨大粒子 （WIMP）。 D'Angelo与来自Gran Sasso的同事进行了WIMP，直到最近
才被认为是暗能量
的主要候选者。
然而，在过去的几年中，在一些关键测试未能证实WIMP的存在之后，物理学家开始寻找其他可能性。 WIMP是一类假设的基本粒子，它们实际上不与普通重子物质相互作用并且不发光，这使它们极难检测。 由于没有人确切知道WIMP的外观，这一问题变得更加复杂。 不用说，即使您不确定要查找的内容，也很难找到任何东西。
那么，为什么物理学家认为甚至存在WIMP？ 1970年代，物理学家构想了粒子物理学的标准模型，该模型声称宇宙中的所有事物都由一小组基本粒子组成。 标准模型完美地解释了宇宙几乎可以提供的所有内容，但是由于不包括重力，它仍然是不完整的。 在1980年代，SM的扩展出现在
超对称性的名称下，根据这种扩展，SM的每个基本粒子都应该有一个伴侣。 这些对被称为超对称粒子，用于对SM物理学的各种谜语（例如
希格斯玻色子质量和暗物质的存在）进行理论解释。 一些世界上最复杂，最昂贵的实验，例如大型强子对撞机，是为了发现这些超对称伙伴而创建的，但到目前为止，还没有任何实验证据表明它们的存在。
在超对称模型中提出的许多最轻的粒子是WIMP，它们的名字例如gravitino，sneytrino和neutralino。 许多物理学家仍然认为最后一个是暗物质的主要候选者，他们认为在宇宙早期它是大量形成的。 寻找这种古老理论粒子存在的证据是许多TM实验的目标，其中包括D'Angelo在Gran Sasso进行的实验。
D'Angelo告诉我，他加入Gran Sasso实验室几年后就对暗物质产生了兴趣，并开始为
DarkSide实验做贡献，这似乎是他对太阳中微子工作的自然延续。 实际上，DarkSide是一个巨大的罐，里面装满了液态氩，并配备了极其灵敏的传感器。 如果存在WIMP，物理学家认为，由于电离（由于它们与氩原子核的相互作用而出现），它们将能够检测到它们。
自2013年以来，DarkSide就一直去Gran Sasso，D'Angelo表示它将持续数年。 但是，他现在已经参与了
格兰萨索的 TM的另一项名为
SABER的实验，该实验还根据与碘化钠晶体碰撞而释放能量时出现的光，来寻找TM粒子存在的直接证据。
SABER实验装置经过专门设计，看起来像是另一项自1995年以来一直在Gran Sasso进行的实验，名为DAMA。 2003年，DAMA实验开始寻找1980年代预测的暗物质粒子的季节性波动，这是地球和太阳相对于银河系其余部分运动的结果。 该理论说，地球上发现的任何暗物质粒子的相对速度在6月应达到最大值，而12月应达到最小值。
大卫·安杰洛（David D'Angelo）在将近15年的时间里，DAMA
确实在探测器中
记录了季节性波动，这与理论和TM粒子的预期特征一致。 DAMA似乎是世界上第一个发现暗物质粒子的实验。 但是问题在于，DAMA无法完全排除他发现的签名与地球任何其他季节性波动有关的可能性，而不是与与地球绕太阳运动有关的暗物质流动变化无关的可能性。
SABRE应该消除DAMA数据中的歧义。 一旦消除了设备中的所有缺陷，在Gran Sasso进行的实验将变成SABER的一半。 另一半将位于前金矿的澳大利亚。 在北半球和南半球设有实验室，应有助于消除与正常季节波动有关的所有误报。 SABRE , .
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