專訪》看不見摸不著，為何還要找？台灣暗物質專家張元翰談暗物質：意義在把儀器做到極致

神祕暗物質看不見、摸不到，卻決定了整體宇宙結構，而物理學家每天在找一個也許永遠無法看到的東西，是什麼感覺？台灣暗物質專家、中研院物理所所長張元翰提及研究暗物質初衷，倒不是因為暗物質多重要，單純是為滿足理解大自然運作規則的好奇心。

幾乎沒有物理基礎的「盲追」

張元翰博士開口先顛覆一般大眾對暗物質認知，與基於各種實驗證據的新物理不同，暗物質的存在純粹推論自天文觀測結果，實驗室至今未找到任何關於暗物質跡象，這在科學史上非常少見。

其次，物理研究通常會有理論明確指出物質特性（如電荷），但天文觀測結果沒有告訴我們暗物質具體樣貌，甚至連它的質量也沒有任何理論可準確預測。換句話說，天文學家搜索暗物質的物理基礎其實非常薄弱，他們提出各種「天馬行空」假設，然後在這份假設給定的質量範圍內盲目搜尋暗物質跡象，「都沒找到就……再換個假設」，張元翰笑著說。

無形暗物質存在感極強，但對物理學家來說，尋找暗物質根本無法「鎖定」某個對象，只能透過「刪去法」慢慢縮小搜索範圍，假如未來真的有科學家找到完全代表暗物質的證據，只能說他運氣爆棚。

既然暗物質如此玄幻，甚至可以說搜索過程沒有太大意義，為什麼科學家還要研究它？張元翰說，真正意義在於推動探測技術極限。

正所謂工欲善其事，必先利其器，科學界往往是因為開發新探測器或升級現有儀器精度才帶來重大發現，此舉同時能解決其他物理問題，比如找到超對稱粒子（WIMP 粒子）就能證實超對稱理論成立，找到軸子就能解決 CP 守恆問題。

被丁肇中博士領進門的張元翰博士表示，當初丁肇中便是不斷改良探測工具精度，最終促使團隊找到全新 J 粒子，這份巧匠精神也傳承給他。

尋找暗物質管道之一：反物質

張元翰在被丁肇中博士領進國際太空站 AMS 實驗後開啟早年研究生涯，專注在反質子、反氦核研究。張博士解釋，理論推測重暗物質特性之一為「湮滅」，2 個暗物質粒子相遇會湮滅轉化為能量，產生等量物質與反物質（如正電子、反質子）。

當前宇宙自然存在的反物質非常稀少，一旦暗物質湮滅產生額外反物質，在幾乎沒有干擾的太空背景下就會「過量」變得明顯，雖然太空其他劇烈天體活動也可能產生反物質，但科學家可透過測量反物質能量分布判斷其來源，尤其暗物質湮滅產生的反物質數量具備獨特「斷崖式」能譜曲線特徵。

張元翰團隊這些年已發現相關跡象，只是實驗誤差還很大，克服方法只能靠時間累積更多數據，或是前面提到的提升儀器探測精準度。

這一方面，張元翰提到明年年中將有一台更大的新探測器送上太空站，有助團隊未來幾年更快累積觀測數據，進一步降低實驗不確定性與誤差，而新儀器的電子系統同樣由台灣中科院團隊製造。

推動台灣本土暗物質計畫

張元翰博士一直在思考是否有適合台灣本土發展的暗物質探測路徑，最終擇定質量極小、不需超大型設備探測的軸子（也是天文學界當前兩大主流探測方向之一），2020 年偕同國家同步輻射研究中心、中央大學專家在台灣啟動尋找軸子計畫。

探測軸子需要能讀取極微弱微波訊號與極低溫（接近絕對零度）的技術，後者恰好與中研院超導量子電腦團隊使用的技術高度疊合，因此張博士團隊常與台灣量子電腦研究學者跨領域合作，共用製冷設備。

在台灣開發軸子探測儀器雖然具備跨領域合作便利性、電子工業發達等優勢，但也面臨幾個關鍵技術挑戰：精密機械加工技術缺乏、極低溫環境材料與工程限制、低溫精密機械實務經驗、自製極低雜訊放大器穩定度不足。

台灣學研界難取得業界高階資源

為了尋找微弱微波訊號，探測器必須在接近絕對零度的極低溫環境運作，內部有個核心元件稱為「不鏽鋼共振腔」，需在表面鍍銅，但不鏽鋼、銅在低溫條件的熱漲冷縮程度不同，歷經幾次實驗降溫與升溫變化，拉扯應力就會導致鍍銅層變形剝落。

而台灣科研市場較小，產業界鮮少有這類極端基礎技術開發需求，因此很難找到具相關技術能力的廠商製造實驗所需的不鏽鋼共振腔，擁有高階加工設備的廠商又不太願開發客製化零件，學術研究團隊難取得產業界高階技術資源。

沒有廠商協助，團隊只能自己動手設計，但團隊成員多屬物理學家，缺乏機械加工工程背景，因此開發過程往往無法一次到位，必須花大量時間慢慢摸索、反覆測試與改良。

其次，軸子產生的微波訊號極微弱，探測器需要一種逼近量子極限的微波放大器，這種技術國際上也尚未成熟，無法直接購買現成產品，因此團隊還與國內學者合作自行開發放大器，目前雖然成功開發，但只要歷經降溫、回溫、降溫循環就損壞，穩定度有待克服才能讓探測器長時間運行。

新世界始於好奇心

不過，這些問題都打不倒實務精神滿分的張元漢博士，「興趣不是與生俱來，而是自我培養出來」。

對張博士來說，實驗意義就是持續發展探測技術，先把儀器做好才有機會往更深處走，就算研究計畫有一半時間都在開發元件，過程也是種樂趣。

沒人知曉設備要多精密才能找到一種完全未知的事物，這種不斷精進儀器、不計較短期世俗貢獻，單純追求挖掘大自然祕密的精神，正是支撐張元翰數十年來尋找暗物質的動力。

（首圖來源：科技新報）