作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2013-11-5 8:08:46
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“很遗憾,一个也没有”
新实验未发现轻量级暗物质

物理学家在寻找大质量弱相互作用粒子的迹象。 
图片来源:CARLOS FAHAM/LUX DARK MATTER EXPERIMENT
 
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的最可信线索来自今年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研究人员计划明年启动一个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。去年年底,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,截止日期在上个月月底,“幸运儿”将在明年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。(张章)
 
《中国科学报》 (2013-11-05 第3版 国际)
 
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