暗物質(zhì)搜尋：科學家是否找錯了方向？

最近的一項實驗對主流暗物質(zhì)理論提出了挑戰(zhàn)，并暗示了揭開宇宙最大謎團之一的新方向。

勒克斯-澤普林（Lux-Zeplin）實驗中央探測器，即時間投影室，此時位于地面實驗室的無塵室中，之后它就會被運往地下

暗物質(zhì)被認為是宇宙中最普遍的物質(zhì)形式，其質(zhì)量大約是恒星和星系中正常物質(zhì)的五倍。問題只有一個：盡管經(jīng)過了半個世紀的努力，科學家只找到了暗物質(zhì)存在的間接證據(jù)。如今，一個超高精度新設備的測量結果表明，科學家可能找錯了方向。

宇宙中某些現(xiàn)象不太對勁。星系的運動速度過快，旋轉(zhuǎn)速度過快，這些都無法用已觀測到的宇宙物質(zhì)和公認的物理定律來解釋。對此，最主流的解釋是，宇宙中彌漫著大量看不見、摸不著的物質(zhì)。這種物質(zhì)暫時被稱為暗物質(zhì)，它可以與正常物質(zhì)發(fā)生引力相互作用，但暗物質(zhì)既不發(fā)射光，也不吸收光。

雖然有多種暗物質(zhì)的候選形式被提出并被否決，但自20世紀90年代末以來，科學界已經(jīng)明確地看好一種被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）的暗物質(zhì)候選形式。人們普遍認為WIMP（如果真的存在）是穩(wěn)定的亞原子粒子，呈電中性，質(zhì)量范圍在100至100 000 GeV之間。

根據(jù)主流理論，盡管WIMP會產(chǎn)生引力，但它們無法被直接觀測到。與坍縮成恒星和行星的正常物質(zhì)不同，WIMP暗物質(zhì)以巨大的“氣體”云形式存在，圍繞并滲透到星系（包括我們所在的銀河系）中。如果這些云團存在，那么暗物質(zhì)“氣體”也會存在于太陽系中，并形成一種不斷穿過地球的“WIMP風”。根據(jù)單個WIMP的質(zhì)量，當你舉起拳頭時，你的手中也許就有一個WIMP粒子。

光電倍增管陣列，用于探測勒克斯-澤普林實驗液態(tài)氙探測 器內(nèi)發(fā)生的粒子相互作用信號

盡管使用了一系列越來越靈敏的探測器，科學家仍未能找到這種WIMP風。自20世紀80年代中期以來，探測器的靈敏度已提高了一百萬倍。目前世界一流的探測器中有一臺叫作勒克斯-澤普林實驗裝置（LZ）。它使用了10噸液態(tài)氙，將其冷卻至大約-100°C，并將它們置于地下約1478米的桑福德地下研究中心（SURF）中。這個地方曾是一個廢棄的金礦坑。

這樣的深度可以屏蔽來自空間宇宙線的持續(xù)轟擊，防止其“偽裝”成暗物質(zhì)信號。在隨后的分析中，探測器僅使用了中央核心區(qū)域的7噸液態(tài)氙，在核心外圍殼層的3噸液態(tài)氙中所出現(xiàn)的信號事件會被排除。這確保了任何可能的WIMP探測都能被精準地測量到。

LZ等待著WIMP穿過探測器并撞擊氙原子。根據(jù)預測，碰撞產(chǎn)生的碎片會穿過儀器并留下可被探測到的信號。在運行了280天（預期運行時間為1000天）后，LZ的科學家并未在探測器中發(fā)現(xiàn)WIMP的蹤跡。他們最近在Tev粒子天體物理學（TeVPA）等會議上報告了他們的研究結果。相關的科學論文正在撰寫中，但由于公布的結果尚未經(jīng)過同行評審，因此需要謹慎對待。

LZ公布的測量結果顯示，對WIMP質(zhì)量和相互作用概率的排除范圍擴大了五倍。雖然WIMP仍可能存在，但當前的測量結果使其存在的可能性進一步降低。不過，有一個質(zhì)量范圍未能被LZ排除：分析報告中未考慮WIMP質(zhì)量低于9 GeV的情況。

考慮到大多數(shù)WIMP理論傾向的質(zhì)量范圍為100至100 000 GeV，如果暗物質(zhì)如此之輕，那么暗物質(zhì)就有可能根本不是WIMP。LZ研究人員正在繼續(xù)分析數(shù)據(jù)。他們之所以沒有考慮低于9 GeV的質(zhì)量范圍，并不是因為沒有取得相關數(shù)據(jù)，而是因為低質(zhì)量的分析非常困難，在得到任何結果之前都必須更加謹慎。

未來，更大型的液態(tài)氙實驗將能夠進行更加靈敏的測量，然而，對WIMP實驗的改進有其上限。要知道，地球不斷沐浴在一種被稱為中微子的粒子中。這些中微子既有來自太陽核反應的，也有來自宇宙射線的。實際上，地球就像處在中微子霧中。

不幸的是，WIMP探測器中的中微子相互作用與暗物質(zhì)相互作用看起來非常相似。因此，當暗物質(zhì)實驗的靈敏度高到足以檢測這種中微子霧時，探測暗物質(zhì)相互作用將變得不可能。這就像在一場搖滾音樂會上試圖聽到悄悄話一樣。

靈敏度比LZ高約10倍的探測器能夠檢測到中微子霧，但研發(fā)具備這種靈敏度的探測器可能需要10到15年時間。而一旦達到這一水平，傳統(tǒng)的WIMP搜尋將無法進行。

這是否意味著暗物質(zhì)搜尋即將走到盡頭？完全不是。畢竟，星系的異常運動仍需要一個解釋。暗物質(zhì)可能是某種非WIMP形式的物質(zhì)。事實上，一些科學家正將注意力轉(zhuǎn)向一種質(zhì)量更輕的暗物質(zhì)候選者——軸子。與WIMP類似，軸子尚未被探測到，但軸子的探測需要與WIMP完全不同的技術。對暗物質(zhì)的搜尋仍將繼續(xù)。

資料來源Big Think

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本文作者唐·林肯（Don Lincoln）是美國費米國家實驗室資深研究員