撰稿 / 朱舢樺 (科學推展中心特約編輯)
圖1.『加速暗物質』飛行時間測量的示意圖：橫軸上方為探測器『餘暉』的實驗訊號；下方為物理起源，描述宇宙暗物質從超新星爆發中釋放的微中子獲取動能。
你曾好奇過我們未知的世界嗎？宇宙學和天體物理學的觀察證據都證實宇宙中除了人類可見的物質之外，存在更多具有質量但人類看不見的物質。這些物質稱為「暗物質（Dark Matter, DM）」。暗物質不會與電磁力產生作用，無法吸收或反射光，所以肉眼無法看見，也無法用任何電磁波來觀測。此外，暗物質與已知的物質可能僅存在極微弱的作用，所以也很難偵測。
傳統上科學家用以偵測「暗物質」的方式，是觀察暗物質與原子核或電子的彈性散射（也就是當暗物質粒子「撞擊」原子核或電子時的後座力所產生的訊號。）若暗物質粒子的質量和原子核或電子相較之下非常小時，其「撞擊」原子核或電子時的後座力十分有限，導致此方法的可觀察能量極低，也缺乏其他訊息互補。
於是中研院物理所粒子物理研究團隊對暗物質的偵測方式提出新構想。研究工作主要由中研院物理所前博士後研究員林彥勳（現任職國家理論中心）完成、副研究員吳孟儒組織，合作者亦包括中研院物理所特聘研究員王子敬與國立臺灣大學吳文華碩士生，為理論與實驗研究小組互補專長，加上院外大學同學參與的合作成果。此研究成果已於 2023年3月14日發表於國際期刊《Physical Review Letters》。
搜尋「餘暉」
研究團隊所提出的新構想，是在超新星爆炸後，以暗物質與探測器交互作用所產生的「餘暉（afterglow）」 作為搜尋暗物質的新實驗訊號。
核心坍塌超新星（Core-collapse supernova）指超過8~25倍太陽質量的大質量恆星。當核心燃料用盡，能量不足以支撐重力時，恆星便會坍塌，產生超新星爆炸事件。
超新星爆炸時會釋放出大量的能量，而這些能量大部分以微中子（neutrinos）的形式從原中子星（proto neutron star）釋出。多達1058個微中子在10秒內釋出，每個微中子都帶著大量(數百萬電子伏特)的能量，並用近乎光速的速度移動。這些微中子可將其動能轉移到宇宙中的暗物質，形成「加速暗物質（Boosted Dark Matter, BDM）」，如圖1的下半部所演示。加速暗物質的動能較高，所以「撞擊」原子核或電子時的後座力較大，會產生較大的訊號，能超過探測能量的閾值而被觀測到。
此構想的核心源於Time-of-flight（TOF）技術，圖1的橫軸上方是地球上的儀器收到的訊號，黃色的線表示超新星爆炸時釋出的微中子的訊號；白色的線表示加速暗物質的訊號。兩者之間存在的時間差不僅可作為暗物質存在的鐵證，亦可用來決定暗物質的質量。
此研究也使用日本超級神岡探測器（Super-Kamiokande）的實驗結果，分析超新星SN1987a事件（所謂的超新星事件，係指某次超新星爆炸的事件）可能產生的加速暗物質，對質量在百萬電子伏特以下暗物質的散射截面積得到更好的限制。相較於之前透過宇宙射線產生的加速暗物質，此方法將散射截面積的限制範圍下推了多個數量級。此外，當下一個銀河系內超新星爆炸發生並產生加速暗物質時，物理學家亦有機會透過搜尋暗物質餘暉，得到對暗物質特性進一步的理解。
