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广为人知的暗物质的候选者是一种被称为WIMP的粒子，其全称是大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle）。这里“弱”只起到描述的作用而不特指弱相互作用，大质量弱相互作用粒子可能具有的相互作用比标准模型中参与弱相互作用的中微子的作用还要更弱。如果没有关于暗物质及其性质更直接的证据（比如大型强子对撞机可以揭示的），那么我们就不能知道是否暗物质的确由大质量弱相互作用粒子组成。因此实验搜寻是我们接下来所关注的话题。
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大型强子对撞机中的暗物质
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宇宙学家很好奇弱能标上的物理以及大型强子对撞机可能发现的东西，产生暗物质是一种有趣的可能。大型强子对撞机的能量水平刚好能寻找大质量弱相互作用粒子。如果暗物质的确如计算所提议的由弱能标上的粒子组成，那么它也许能在大型强子对撞机中产生。
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即便如此，暗物质粒子也不一定能被发现。毕竟，暗物质不怎么与其他物质发生相互作用。由于它们与标准模型物质的相互作用有限，暗物质粒子不能直接产生或者直接被探测到。即使产生了，它们也仅会穿过探测器。然而，不是所有的粒子都会逃掉（哪怕暗物质粒子将会逃掉）。关于等级问题的任何解释都包含除了标准模型的其他粒子——它们绝大多数具有的相互作用都很强。一些粒子可能产生得很多，接着它们可以衰变成暗物质粒子，进而带走无法测量到的动量和能量。
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超对称模型是这一类型中研究得最透彻的弱能标模型，它自然包含一种切实可行的暗物质候选者。如果超对称在自然中存在，那么最轻的超对称粒子可能可以组成暗物质。这种不带电荷的最轻粒子，相互作用太弱以至于靠自己无法产生足够多的粒子来被发现。然而，胶微子（传递强相互作用力的胶子的超对称伙伴）和超夸克（夸克的超对称伙伴）假如存在，那么可以在正确的能标上产生。如第17章所介绍的，这些超对称粒子最终都会衰变成最轻的超对称粒子。因此，即使暗物质粒子不能直接被制造出来，其他激增的粒子也能够以可以观测到的速度产生出最轻的超对称粒子。
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其他弱能标暗物质的情景如果有可以探测的效应的，基本上也需要以相同的方法产生以及被“测量”。暗物质粒子的质量应该大约在大型强子对撞机可以研究的弱能标。因为粒子微弱的相互作用强度使得它们不会直接被产生出来，但是许多模型都包含其他可以衰变成它们的新型粒子。由此，我们也许可以得知暗物质粒子的存在，并且通过它们带走的能量，还可能知道它们的质量。
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若大型强子对撞机发现暗物质，这当然会是一个重大的成功。如果真的发现了，那么实验物理学家甚至可以研究它的具体性质。然而，要确信大型强子对撞机发现的粒子的确组成暗物质还需要附加的证据。它们也许可以由地面上的以及太空中探测器提供。
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直接探测暗物质的实验
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大型强子对撞机有制造暗物质的潜力这件事的确很吸引人，但是许多宇宙学实验不是在加速器中做的。在地面与太空中的天文实验与暗物质搜寻，才是解释和推进我们对宇宙学问题理解的最主要手段 。
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当然，暗物质与普通物质的相互作用非常微弱，因此当前的寻找基于一个信仰——暗物质虽然几乎不可见，与已知物质（包括探测器也是由它们所造的）的作用微弱，但却不是没有作用。这并非仅仅是一个美好的愿望。它其实基于我们前面提到的关于残留密度的计算，该计算显示，如果暗物质与解释等级问题的模型相连，那么遗留下来的粒子密度恰好可以给出暗物质观测的解释。这种计算提议的许多大质量弱相互作用粒子暗物质候选者与标准模型粒子发生相互作用的速率，也许用目前的暗物质探测仪可以探测到。
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即使如此，因为暗物质的微弱相互作用，这种搜寻需要使用地面上的巨型探测器或者非常灵敏的仪器，以在地面上或者太空中寻找暗物质作用、湮灭以及产生新粒子与反粒子的产物。如果你只买一张彩票的话，那么你很可能中不了奖，但是如果你可以买到超过一半的彩票，那么你的胜算将很高。类似地，许多大型探测器增加了寻找暗物质的概率，哪怕暗物质与探测器中的任何单一核子的相互作用极其微小。
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对于暗物质探测器来说，一个巨大的挑战是检测中性（不带电）的暗物质粒子，而且还要将它们与宇宙射线或者其他背景辐射区分开来 。不带电的粒子与探测器没有传统意义上的相互作用。暗物质穿过探测器的唯一踪迹将是当它撞击探测器中的核子时，使核子的能量发生一点点微小的改变。这是唯一可以观测到的效应，所以探测器除了寻找暗物质粒子通过时产生的微小热量或者反冲能量的证据之外，别无他法。因此探测器设计成要么温度极低要么非常灵敏，就是为了记录暗物质粒子反弹时的一点点热量或者能量沉积。
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这种极冷装置被称为低温探测器（cryogenic detector），当暗物质粒子进入仪器时，它们可以探测其发出的很少量的热量。一个小额的热量进入已经很热的探测器中将很难被发现，但是如果进入的是经过特殊设计的很冷的探测器的话，情况则截然不同，极其微小的热量仍然可以被吸收和记录。低温探测器是采用诸如锗的晶体吸收器所制成的。这类型的实验包括：低温暗物质搜寻计划（Cryogenic Dark Matter Search, CDMS）、CRESST与EDELWEISS[78] 。
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其他类型的直接探测实验涉及惰性液体（noble liquid）探测器。即使暗物质不直接与光发生作用，由于碰撞加入到氙（xenon）或者氩原子中的能量也会引起一种特征发光。有关氙的实验包括XENON100和LUX[79] ，另一个惰性液体实验包括ZEPLIN计划[80] 与氩暗物质实验（ArDM）。
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理论物理与实验物理学界的每一个人都盼望着知道这些实验的新结果将是怎样。2009年，我有幸参加了在加州大学圣塔芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所（KITP）召开的一次暗物质会议。两位领头的暗物质专家——道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner）与尼尔·韦纳（Neal Weiner）也参与了会议。那时低温暗物质搜寻计划是最灵敏的暗物质探测实验之一，正要公布最新结果。除了同时作为个头很高的年轻一代且一起博士毕业于伯克利大学之外，他们还都对暗物质实验及其可能的含义有着深刻的理解。尼尔有更深的粒子物理学背景，而道格拉斯则做了更多天文物理的研究，但当暗物质的研究表明它涉猎这两个领域，最终两人的研究走到了一起。在会议上，他们搜集了这个领域的理论与实验上最前沿的专业知识。
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我到达的那天上午有一个最精彩的报告。加州大学圣塔芭芭拉分校的哈利·尼尔森（Harry Nelson）教授介绍了低温暗物质搜寻计划的结果。你可能不理解为什么一个讲述老结果的报告会引人注意。原因是会议的每个人都知道三天以后该实验将公布新的数据。一些传言说，低温暗物质搜寻计划的科学家实际上看到了对于某个探索的令人信服的证据，因此每个人都想更好地理解该实验。许多年来理论物理学家一直在听说关于暗物质的探测，但主要是听说它们的结果，并且只对细节有肤浅的关注。但是在可以想象的即将出现的暗物质探测结果出来之前，理论物理学家很渴望了解更多。之前一个星期，结果公布了，却令对此抱有极大希望的听众非常失望。但是在哈利的报告期间，每个人都聚精会神。尽管有许多关于即将发表的结果的尖锐问题，他仍可以坚定地讲述他的报告。
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因为那是一个时长两小时的非正式演讲，与会者可以根据理解的需要随时提问题。该报告很好地总结了听众——主要是粒子物理学家，可能会感到困惑的问题。哈利是粒子物理学家而不是天文学家出身，他讲的方式我们很受用。
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在这些极其艰难的暗物质实验中，最折磨人的是这些细节。哈利将这一点表述得非常清楚。低温暗物质搜寻计划基于一种高端的低能标物理技术——往往更多地被凝聚态物理或者固态物理学家使用的那种技术。哈利告诉我们在参加到此项合作之前，他根本无法相信这种精巧的探测竟然可能奏效，并开玩笑地说，他的实验学同事应该庆幸他不是这项原始议案的评审。
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低温暗物质搜寻计划的运行与闪烁氙（scintillating xenon）和碘化钠（sodium iodide）探测实验不同。它有一个材料为锗或者硅的曲棍球大小的部件，其顶端是一个精妙的记录装置，这是一个声子传感器。探测器在很低的温度下运作，温度介于超导态与非超导态之间。如果哪怕只有一点点声子（phonon）的能量，那么声音的最小单位所携带的能量在通过锗或者硅时（就像光的最小单位光子撞击探测器时），可以使该装置离开超导态，从而通过一个超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）记录到一个可能的暗物质事件。这些装置极其灵敏，它们可以非常精确地测量能量沉积。
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然而，记录一个事件并不代表故事的终结。实验物理学家需要确认记录到的是暗物质而不是背景辐射。问题是任何东西都发出辐射。我们发出辐射，我正在打字的计算机也发出辐射，你正读的书（或者电子设备）也发出辐射。从一个实验物理学家的手指流出的汗也足以将暗物质的信号淹没。而这些还没有包括所有原始的和人造的发射源物质。环境和空气以及探测器自身都携带一定的辐射。宇宙射线也可以击中探测器。岩石中的低能中子也可以模仿暗物质。宇宙射线μ子可以击中岩石从而飞溅出一堆的物质，其中包含的中子也可以模仿暗物质。与信号事件相似的起码有超过一千种背景电磁事件，甚至在关于暗物质质量和相互作用强度方面有着合理与乐观的假设的情况下，也是如此。
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为暗物质实验所设计的游戏名称是“屏蔽和区分”（shielding and discrimination，这是天文学家的术语。粒子物理学家使用更个性化的术语“粒子身份”[particle ID]，虽然现在我也不知道哪一种方法更好）。实验物理学家需要将探测器尽可能地屏蔽起来，将辐射隔离在外面，并且将潜在的暗物质事件从我们不感兴趣的辐射散射中分隔开来。通过将实验安置于地下的深井中，屏蔽的目的完成了一部分。该想法就是让宇宙射线击中探测器周边的岩石而不击中探测器。暗物质因为有着更低的相互作用，可以不受岩石阻碍到达探测器。
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对于暗物质的探测来说幸运的是，世界上恰好有许多矿井和隧道。DAMA实验与XENON10和它的加强版XENON100以及CRESST都是用钨做成的探测器，同属大萨索山（Gran Sasso）实验室，坐落于意大利一条3000米深的隧道中。位于美国南达科他州霍姆斯特克（Homestake）矿井中一个1500米深的洞穴，最初是掘金时代修建的，将会成为另一个基于氙的实验——LUX实验的所在地。在此洞穴中，雷·戴维斯（Ray Davis）曾经发现了来自太阳的核反应的中微子。低温暗物质搜寻计划则在苏丹的一个矿井中，大约在750米的地下。
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所有在矿井与隧道之上的岩石不足以确保探测器完全不受辐射，实验还需要进一步采取各种不同的屏蔽方法。低温暗物质搜寻计划有一层聚乙烯环绕，如果有什么强烈相互作用的东西表明是暗物质从外面进来，那么它就会发亮。更加让人印象深刻的是，周围环绕的铅则来自18世纪法国的沉船。这些年代久远的铅材料已经在水下躺了几个世纪，因此它们的放射性都已消失殆尽。铅是一种致密的吸收材料，它可以完美地将探测器与外面来的放射性隔离开来。
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即使有了这些保护措施，许多电磁辐射仍然存在。辐射与潜在的暗物质候选者的区分还需要进一步甄别。暗物质的相互作用与中子击中靶物质时的核反应相似。因此，与声子读数系统相对的是一个更为传统的粒子探测系统，它可以测量当推断的暗物质粒子穿过锗或者硅时产生的电离度。这两种测量——电离度与声子能量，可以区分那些可能来自暗物质过程的核反应事件，以及仅仅来自放射性的电子事件。
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低温暗物质搜寻计划其他优异的性质还包括，绝佳的位置和其绝妙的时间测量。因为虽然只能在两个方向上直接测量，但是声子的定时给出了位置的第三个坐标。因此实验物理学家可以严格定位事件发生的地点并将背景事件排除。另一个良好的性质是，实验被划分成一个个曲棍球大小的探测单元。一个真实的事件只会在其中一个探测单元上发生。局域性可以减少辐射，而另一方面又不会将探测限制在单一的探测单元上面。有了这些性质，并且今后还会有更好的设计出来，低温暗物质搜寻计划有很大的机会发现暗物质。
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