宇宙的大部分由暗物质和暗能量构成，然而科学家至今仍未弄清它们的本质。如今，人们正在研制新型超灵敏探测器，以期捕捉到极为罕见的粒子相互作用，从而最终揭开它们的神秘面纱。

科学家在理解宇宙方面取得了显著进展，然而，其中大部分现象仍无法解释。现存物质中约95%由暗物质和暗能量构成，仅有5%是我们能够看到和触摸到的熟悉物质。德克萨斯农工大学的实验粒子物理学家鲁帕克·马哈帕特拉博士，正致力于通过制造高度精密的半导体探测器来探索这一不可见的大多数，这些探测器依赖于低温量子传感器。这些仪器被用于世界各地的实验，旨在探究现代物理学中最深奥的问题之一。

马哈帕特拉常以一个为人熟知的比喻来描述这一挑战。他将人类对宇宙有限的理解——或者说缺乏理解——比作一则寓言。“这就像试图仅通过触摸大象的尾巴来描绘整头大象。我们感受到某种庞大而复杂的事物，却只触及了它的冰山一角。”

马哈帕特拉及其合作者近期在颇具声望的《应用物理快报》期刊上发表了他们的研究成果。

了解暗物质与暗能量

暗物质与暗能量之所以得名，源于科学家至今仍未探明其本质构成。暗物质占据星系及星系团的大部分质量，在浩瀚宇宙尺度上主导着天体结构的形成；暗能量则指推动宇宙加速膨胀的神秘现象。简而言之，暗物质如宇宙黏合剂维系着天体系统的稳定，暗能量则似无形推手促使万物彼此疏离。

尽管暗物质与暗能量主宰着宇宙，但它们既不释放、吸收，也不反射光线，这使得直接观测它们变得极为困难。研究人员转而通过引力来探究其影响，引力会影响星系的形成与运动方式。暗能量是宇宙中占比最大的成分，约占宇宙总能量的68%，而暗物质约占27%。

在狂风暴雨中捕捉细语

在德克萨斯农工大学，马哈帕特拉（Mahapatra）的团队正在研发灵敏度极高的探测器。这些装置旨在记录那些极少与普通物质发生相互作用的粒子的相互作用，此类相互作用或可为揭示暗物质本质提供关键线索。

马哈帕特拉表示：“挑战在于，暗物质的相互作用极其微弱，因此我们需要能够探测到一年甚至十年才可能发生一次的事件探测器。”

他所在的团队借助一种名为“TESSERACT”的探测器，为全球领先的暗物质搜寻工作做出了贡献。“关键在于创新，”他说道，“我们正在探寻方法，以放大那些曾湮没于噪声之中的信号。”

德克萨斯农工大学是参与“超立方体”（TESSERACT）实验的为数不多的机构之一。

突破检测技术的极限

马哈帕特拉（Mahapatra）目前的研究工作建立在数十年推进粒子探测方法的经验之上。在过去的25年里，他一直投身于超级低温暗物质搜寻计划（SuperCDMS）实验，该实验迄今为止开展了一些最为灵敏的暗物质搜寻工作。

2014年，马哈帕特拉（Mahapatra）及其同事在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一篇具有里程碑意义的论文，介绍了在超级低温暗物质探测器（SuperCDMS）实验中采用电压辅助量热电离检测技术——这一突破性进展使科学家能够研究低质量弱相互作用大质量粒子（WIMPs，一种主流暗物质候选体）。这一创新极大地拓宽了实验可探测粒子的范围。

2022年，马哈帕特拉（Mahapatra）作为共同作者参与了另一项研究，该研究探讨了寻找弱相互作用大质量粒子（WIMP）的多种方法，包括直接探测、间接探测和对撞机搜索。该研究强调了综合运用不同方法来解决暗物质问题的重要性。

马哈帕特拉指出：“没有哪一个单一实验能为我们揭示所有答案。我们需要不同方法之间的协同作用，才能拼凑出完整的图景。”

对暗物质的探索，其意义远超学术层面的好奇，它或许是揭开宇宙基本法则的关键所在。“若我们能探测到暗物质，物理学将翻开崭新篇章，”马哈帕特拉说道，“这一探索需要极为灵敏的探测技术，且或将催生我们如今难以想象的技术成果。”

什么是弱相互作用大质量粒子（WIMPs）？

弱相互作用大质量粒子（WIMPs）是暗物质最具前景的理论候选者之一。这些假想粒子仅通过引力与弱核力相互作用，这也解释了为何探测它们如此艰难。

参考文献：C. L. 张、Y.-Y. 张、M. 加西亚-希维雷斯、W. 郭、S. A. 赫特尔、X. 李、J. 林、M. 利索文科、R. 马哈帕特拉、W. 马塔瓦、D. N. 麦金塞、P. K. 帕特尔、B. 彭宁、H. D. 平克尼、M. 普拉特、M. 派尔、Y. 齐、M. 里德、I. 里斯德伦、R. K. 罗曼尼、B. 萨杜莱、B. 瑟法斯、P. 索伦森、B. 苏尔福、V. 维兰、G. 王、Y. 王、M. R. 威廉姆斯、V. G. 叶夫列缅科及TESSERACT合作团队所著《块状硅内部非热声子突发自发产生，导致超导传感器出现过量噪声、低能背景事件及准粒子毒化》，发表于2025年12月30日《应用物理快报》。DOI：10.1063/5.0281876