暗物質作為一種神秘的存在，被認為構成了宇宙物質的84%。在分佈於地球各處地下的二十多個實驗室裡，每天都有很多科學家利用大量的液體、金屬、半導體等材料尋找暗物質存在的證據。
儘管實驗越來越複雜，搜索方式也越來越精確，但截至目前，除了意大利一個實驗室飽受爭議的信號發現之外，幾乎一無所獲。
暗物質不同於構成人類、恆星、動物、植物等的常規重子物質：除非是通過重力（也許還有弱核力），暗物質不與其它任何物質相互作用。我們看不到它們，但物理學家們肯定，它們廣泛存在於宇宙中。
幾十年來，弱相互作用大質量粒子（Weakly interacting massive particles,簡稱WIMP）一直是暗物質的熱門候選者。許多實驗都是通過尋找WIMP出現並撞擊普通物質的證據來證明其存在。在這種情況下，WIMP會通過弱作用力撞擊原子核，受撞擊的原子核會反衝並釋放出某種形式的能量，如閃光或聲波。探測這種幾乎覺察不到的現象需要埋在地底深處非常靈敏的儀器。由於宇宙射線也會導致原子核反衝，將儀器埋藏在地底深處可以屏蔽宇宙射線帶來的影響。
然而，歷經幾十年的艱辛，科學家依然沒有找到暗物質存在的跡象。最近，波蘭、瑞典和美國的研究團隊有了新的構想，他們認為不要只將關注點集中在地殼下探測器中的鍺、氙和閃爍體，也要關注地殼本身。在岩石當中也藏著太陽系歷變的秘密，其中可能存在撞擊原子核的反衝化石，即WIMP的冰凍印記。密歇根大學理論物理學家Katherine Freese和她的同事們以此為基礎設計了地表下遠古痕跡探測器，其工作原理與目前的直接探測方法類似，不同於後者在實驗室中大量裝配液體和金屬，以便實時觀察WIMP的反衝過程，新探測器主要是尋找WIMP撞擊原子核時在礦石中留下的痕跡。
如果原子核以足夠的能量反衝，並且被擾動的原子正好被深埋在地下(就能保護樣本不宇宙射線的影響)，那麼反衝軌跡就可能被保留下來。如果這個理論成立，研究人員就可以發掘岩石，剝離時間層，通過納米成像技術探索發生在過去的故事。最後，我們證明暗物質存在的證據很可能是化石遺蹟，就像是發現了恐龍捕食過程中留下的足跡一樣。
大約五年前，Freese開始和Andrzej Drukier討論新探測器的類型。Andrzej Drukier是斯德哥爾摩大學的物理學家，他過去研究暗物質探測，後來轉向生物物理學領域。他們希望與生物學家George Church共同設計基於DNA和酶反應的暗物質探測器。
2015年Andrzej Drukier前往俄羅斯新西伯利亞，研究一種藏在地球表面下的生物探測器原型。他驚喜地發現在俄羅斯有一些冷戰期間的挖掘的深井，深達12km，可以很好地隔離宇宙射線。典型的暗物質探測器相對較大，對信息高度敏感，這些年的工作大多在尋找WIMP的即時訊息。相反礦石體積小且對WIMP相互作用不太敏感，但可能記錄了數億年的痕跡。
Andrzej Drukier說：從極深的地核中取出的巖塊有十億年的歷史，越往深處，岩石越古老。於是我們不再需要建造探測器，因為地裡面有天然探測器。然而新的問題又來了，地球充滿了放射性鈾，衰變時會產生中子，中子也會撞擊原子核，形成干擾數據。Freese說，他的研究團隊最初描述古探測器的論文沒有考慮到鈾衰變產生的噪音，但其他對此感興趣的科學家指出了這個問題。於是他們研究團隊花了兩個月的時間研究了數千種礦物，以瞭解哪些礦物是從鈾衰變中分離出來。他們認為，最好的遠古痕跡探測器應該由含有少量二氧化硅的岩石，即超基性岩石構成。此外，他們還尋找含有大量氫的礦物質，因為氫能有效阻絕鈾變產生的中子。
麻省理工學院的理論物理學家Tracy Slatyer儘管沒有參與這項研究，但她表示：“尋找化石反衝可能是一個尋找WIMP的好方法。這就好像在尋找一個似乎沒有跳躍的原子核，只有跳躍了一定的距離，我們才能發現它的變化。就像，把一個乒乓球扔向保齡球，會看到乒乓球的跳躍過程，不會看到保齡球的運動過程，但通過一些技術手段，也許我們可以看到保齡球的運動。”
圖片來自站酷
雖然有了新的構思，但是實際實驗並不容易。研究必須要在地下深處進行，這樣核心樣本才能與太陽和宇宙射線隔離。同時需要用最先進的納米成像技術解決原子核移動的問題。
Tracy Slatyer表示：“即使WIMP確實留下了可觀察到的線索，遠古痕跡探測器的主要挑戰應該是確保化石痕跡真的來自於暗物質粒子。研究人員將花費大量時間證明反衝不是受中子、太陽中微子或其他物質影響產生。也許有人說，可以進入足夠深的地方去躲避宇宙射線，但這不是在實驗室裡，不可控因素很多，我們很難理解岩石礦床的歷史。即便是發現了某些信號，也需要進行更多工作才能確定這個信號的可信度。
Drukier 和 Freese都表示，遠古痕跡探測器的優勢在於數量。岩石中含有大量礦物質，每個礦物質原子都含有原子核，它們會以不同的方式從掠奪的WIMP中反彈。Freese說：“這將允許實驗人員觀察反衝光譜，檢驗結果，並有可能得出關於WIMP的結論。在未來，遠古痕跡探測器甚至可以提供一段時間內的WIMP記錄，就像化石記錄使得古生物學家能重構地球上的生命歷史一樣。”
對Slatyer來說，長時間的記錄可以提供一個獨特銀河系暗物質暈的探測器。暗物質暈是一種由不可見物質組成的雲，在太陽系圍繞銀河系中心運行2.5億年的過程中，地球會穿過它。瞭解銀河系的暗物質暈是如何分佈的，可以深入瞭解它的物理行為，甚至可以證明暗物質是否以超越重力的方式與自身相互作用。Slatyer說：“現在已經到了理論和建模都非常活躍的發展階段。”但Freese和Drukier表示，前路漫漫，遠古痕跡探測器首先必須證明它能夠找到已知粒子(如太陽中微子)留下的反衝軌跡，然後證明它們能從普通的反衝中分離出WIMP的軌跡。
Drukier說：“這是一個重大的觀點變化，我們會找到暗物質嗎？我已經找了35年了。這可能是世界上最困難的實驗，也許我們也未能有找到暗物質的幸運，不過這事兒本身很酷。”
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