新实验未发现轻量级暗物质

新实验未发现轻量级暗物质

2013/11/5 10:10:00  中国科学报

    这并不是物理学家期望的结果。近日，一项新实验得出的数据，可能会终止有关寻找暗物质的争论。这种神秘的物质无法通过电磁波的观测进行研究，虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，其组成成分至今仍未能全然了解。近日，用美国南达科他州Sanford地下研究设施的大型地下氙实验（LUX）探测器开展工作的研究人员宣布，他们在实验中没有发现轻量级暗物质粒子的迹象。

    “这也许是一个重大的错漏。”LUX团队成员、布朗大学的Richard Gaitskell说，“我们应该看到成千上百个物质，但实际一个也没看到。”LUX致力于跟踪大质量弱相互作用粒子（WIMPs）——它是物理学家对暗物质是由什么构成的最有希望的猜测。与普通粒子相比，这种粒子的质量较大，运动速度也相对缓慢。WIMPs可能通过重力和弱力与其他物质以及彼此相互作用，由于它们不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到。

    相关理论指出，如果初期宇宙挤满了仅通过弱力相互作用的粒子，那么有足够的这种粒子提供给暗物质，并且它们的重量可能是一个质子的1-1000倍。WIMPs同时也从一个名为超对称性的概念中浮现出来。超对称性为物理学家主流模型中的每个粒子假设了一个质量更大的“伙伴”，并指出WIMPs的重量是一个质子的数百倍。因此，与轴子相比，物理学家更倾向于WIMPs是暗物质的最佳候选者。但是，近年来，许多研究小组报告称，实验迹象显示WIMPs出乎意料地轻，还不到一个质子的10倍。

    2010年，供职于相干锗中微子技术（CoGeNT）实验的物理学家报告了轻量级WIMPs撞击他们位于明尼苏达州北部苏丹矿井的440—克探测器的可能迹象。不过，从事意大利地下格兰萨索国家实验室正在进行中的XENON实验的物理学家则表示，他们的数据排除了轻量级WIMPs。一场围绕XENON研究人员是否正确地校准了他们被100千克冰冷液氙充满的探测器的争论随之而来。从很大程度而言，有关轻量级WIMPs的最可信线索来自2013年4月。

    工作在苏丹矿井低温暗物质研究（CDMS）项目的物理学家报告了3个清晰事件：该设施中的超低温硅探测器，通过捕获暗物质粒子碰撞探测器内的原子核发生的稀有相互作用，得到了疑似轻量级WIMPs撞击的线索。值得注意的是，如果这真是WIMPs，那么推测其质量为8.6千兆电子伏，远比之前人们认为的要轻，因而违背了其他研究结果。现在，LUX研究人员则表示，他们的结论反驳了CDMS的结论以及其他轻量级WIMPs的线索。潜伏在地下1480米处的LUX，耗资1000万美元，并在4月开始获取数据。LUX包括370千克液氙，这让它比XENON或CDMS更敏感。

    Gaitskell表示，LUX研究人员迄今为止应该看到大约1600个事件，但他们实际上一个也没看见。如此一来，LUX得到的结果解决了有关轻量级WIMPs的争论吗？芝加哥大学物理学家、CoGeNT项目领导人Juan Collar指出，重点是，LUX研究人员在多大程度上校准了他们的探测器，以及他们是否能肯定探测器对低质量WIMPs确实敏感。“这将取决于他们达到了什么（能量）阈值，以及在分析中他们怎样谨慎地对待它。”Collar说。当然，现实目标是探测WIMPs是轻还是重。LUX研究人员将在未来两年里继续获得数据。另外，他们还建议再建造一个7吨的名为LZ的探测器。同时，XENON研究人员计划2014年启动一个1吨的新实验，而CDMS研究人员则计划升级他们的探测器到超级CDMS，并打算将它转移至加拿大萨德伯里更深处的SNOLAB。事实上，对于LUX结果最直接的反应可能来自于政治领域。资助了LUX项目以及CDMS一部分经费的美国能源部（DOE），将开始审查下一轮的暗物质实验。

    2012年年底，DOE将13个“第二代”实验申请削减至5个最终入围者，其中包括LZ和CDMS。DOE将从中选择2-3个继续推进。研究人员表示，截止日期在2013年10月月底，“幸运儿”将在2014年1月份确定。但是，DOE只为这些新实验项目划拨了3800万美元，一些研究人员表示，这并不足以分配给LZ和CDMS这两个最昂贵的实验。Collar预测道：“只有这些钱，不可能两个实验都进行。”LUX研究人员称，他们想要在DOE作出决定之前得到自己的第一个发现，以便展示他们的探测器正如承诺的那样工作着。而且Collar指出，对于相关审查而言，该研究小组“将自身定位得非常好”。他还说，据悉，CDMS也将在短时间内得出另一个结果。对于美国暗物质研究人员而言，现在已经没有时间去隐藏自己的锋芒了。

     什么是反物质？没有质量、没有重量、肉眼看不到，任何仪器都探测不到，唯有意识观察体验到的物质就是反物质。

——摘【禅院文集】《反物质世界篇》前言

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