新實驗未發現輕量級暗物質

物理學家在尋找大質量弱相互作用粒子的跡象。

　　這并不是物理學家期望的結果。近日，一項新實驗得出的數據，可能會終止有關尋找暗物質的爭論。這種神秘的物質無法通過電磁波的觀測進行研究，雖然人們已經對暗物質作了許多天文觀測，其組成成分至今仍未能全然了解。近日，用美國南達科他州 Sanford地下研究設施的大型地下氙實驗(LUX)探測器開展工作的研究人員宣布，他們在實驗中沒有發現輕量級暗物質粒子的跡象。

　　“這也許是一個重大的錯漏。”LUX團隊成員、布朗大學的Richard Gaitskell說，“我們應該看到成千上百個物質，但實際一個也沒看到。”

　　LUX致力于跟蹤大質量弱相互作用粒子(WIMPs)——它是物理學家對暗物質是由什么構成的最有希望的猜測。與普通粒子相比，這種粒子的質量較大，運動速度也相對緩慢。WIMPs可能通過重力和弱力與其他物質以及彼此相互作用，由于它們不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到。相關理論指出，如果初期宇宙擠滿了僅通過弱力相互作用的粒子，那么有足夠的這種粒子提供給暗物質，并且它們的重量可能是一個質子的1~1000倍。

　　WIMPs同時也從一個名為超對稱性的概念中浮現出來。超對稱性為物理學家主流模型中的每個粒子假設了一個質量更大的“伙伴”，并指出WIMPs的重量是一個質子的數百倍。因此，與軸子相比，物理學家更傾向于WIMPs是暗物質的最佳候選者。

　　但是，近年來，許多研究小組報告稱，實驗跡象顯示WIMPs出乎意料地輕，還不到一個質子的10倍。2010年，供職于相干鍺中微子技術(CoGeNT)實驗的物理學家報告了輕量級WIMPs撞擊他們位于明尼蘇達州北部蘇丹礦井的440—克探測器的可能跡象。不過，從事意大利地下格蘭薩索國家實驗室正在進行中的XENON實驗的物理學家則表示，他們的數據排除了輕量級WIMPs。一場圍繞 XENON研究人員是否正確地校準了他們被100千克冰冷液氙充滿的探測器的爭論隨之而來。

　　從很大程度而言，有關輕量級WIMPs的最可信線索來自今年4月。工作在蘇丹礦井低溫暗物質研究(CDMS)項目的物理學家報告了3個清晰事件：該設施中的超低溫硅探測器，通過捕獲暗物質粒子碰撞探測器內的原子核發生的稀有相互作用，得到了疑似輕量級WIMPs撞擊的線索。值得注意的是，如果這真是WIMPs，那么推測其質量為8.6千兆電子伏，遠比之前人們認為的要輕，因而違背了其他研究結果。

　　現在，LUX研究人員則表示，他們的結論反駁了CDMS的結論以及其他輕量級WIMPs的線索。潛伏在地下1480米處的LUX，耗資1000萬美元，并在4月開始獲取數據。LUX包括370千克液氙，這讓它比XENON或CDMS更敏感。 Gaitskell表示，LUX研究人員迄今為止應該看到大約1600個事件，但他們實際上一個也沒看見。

　　如此一來，LUX得到的結果解決了有關輕量級WIMPs的爭論嗎?芝加哥大學物理學家、 CoGeNT項目領導人Juan Collar指出，重點是，LUX研究人員在多大程度上校準了他們的探測器，以及他們是否能肯定探測器對低質量WIMPs確實敏感。“這將取決于他們達到了什么(能量)閾值，以及在分析中他們怎樣謹慎地對待它。”Collar說。

　　當然，現實目標是探測WIMPs是輕還是重。LUX研究人員將在未來兩年里繼續獲得數據。另外，他們還建議再建造一個7噸的名為LZ的探測器。同時，XENON研究人員計劃明年啟動一個1噸的新實驗，而CDMS研究人員則計劃升級他們的探測器到超級CDMS，并打算將它轉移至加拿大薩德伯里更深處的SNOLAB。

　　事實上，對于LUX結果最直接的反應可能來自于政治領域。資助了LUX項目以及CDMS一部分經費的美國能源部(DOE)，將開始審查下一輪的暗物質實驗。去年年底，DOE將13個“第二代”實驗申請削減至5個最終入圍者，其中包括LZ和 CDMS。DOE將從中選擇2~3個繼續推進。研究人員表示，截止日期在上個月月底，“幸運兒”將在明年1月份確定。

　　但是，DOE只為這些新實驗項目劃撥了3800萬美元，一些研究人員表示，這并不足以分配給LZ和CDMS這兩個最昂貴的實驗。Collar預測道：“只有這些錢，不可能兩個實驗都進行。”

　　LUX研究人員稱，他們想要在DOE作出決定之前得到自己的第一個發現，以便展示他們的探測器正如承諾的那樣工作著。而且Collar指出，對于相關審查而言，該研究小組“將自身定位得非常好”。他還說，據悉，CDMS也將在短時間內得出另一個結果。對于美國暗物質研究人員而言，現在已經沒有時間去隱藏自己的鋒芒了。