寻找暗物质的装置，或能意外揭开中微子之谜？

XENN1T设备(图片来源:XENN1T官方网站)

XENON1T是一个暗物质探测项目。它的装置位于意大利格兰萨索国家实验室地下1400米处。虽然暗物质粒子还没有出现，但是XENON1T已经有了意想不到的发现。在本周发表在《自然》杂志上的一项研究中，XENON1T团队发现了迄今为止最罕见的事件:氙124的衰变，半衰期为1.8×1022年，相当于宇宙寿命的几万亿倍。这个意想不到的发现可能会揭示中微子的本质。

大多数时候，做物理实验就像等待兔子的到来。

例如，几十年前，日本的小柴昌俊使用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管来探测日本新冈一个废弃地下矿井中的质子衰变信号。他们尝试了很长时间，但是神岗实验没有发现质子衰变。等待时间越长，就越能确定质子的寿命。最后，质子的寿命被确定为超过1033年。

然而，忠实的妻子。1987年，一颗超新星在160，000光年之外爆炸，在小柴昌俊数千吨纯净水中发现了超新星中微子。因为这一贡献，他获得了2002年诺贝尔物理学奖——这是“16万光年之外的礼物”。

在探测暗物质的实验中也发生了类似的事故。

寻找软骨头

在意大利的格兰萨索国家实验室，有一个探测暗物质粒子的项目——氙1t。这个实验室与日本小柴昌俊新冈的实验室非常相似。这也是一口深井，需要一个非常纯净的液体探测器。

格兰萨索国家实验室的位置(照片来源:*)

然而，日本的信冈使用纯水，而意大利的XENON1T使用高纯度液态氙。氙气(Xe)是一种惰性气体，通常被汽车改装者用作氙气灯。氙气灯会让对面车道上的车主失明。这种惰性元素是如何被用来探测神秘的暗物质粒子的？

应该强调的是，暗物质粒子有许多理论模型。寻找暗物质粒子就像在茫茫人海中寻找某人。直到现在，我们甚至不知道暗物质的名字。有些人说暗物质被称为软物质，而另一些人说暗物质被称为轴子……...公众是对的，女人是对的。

在许多暗物质的理论模型中，一个质量在1,000 GeV数量级的候选暗物质粒子(相比之下，我们知道质子的质量接近1GeV)尤其受到物理学家的青睐。这个粒子是弱相互作用的大质量粒子(WIMP)。

上海交通大学物理与天文学院的博士后张佳俊告诉《全球科学》:“软物质是暗物质的热门候选者。在宇宙的热大爆炸模型中，暗物质粒子与其他粒子分离，并随着早期热宇宙的膨胀和冷却而长时间保持稳定。只要暗物质粒子具有相当于弱相互作用的反应截面，或者它们可以参与弱相互作用，并且它们相对较重(静止质量大于1GeV)，在很宽的质量范围内(从GeV到TeV量级)，目前在天文学上观察到的暗物质密度就可以自然地解释。这就是WIMP得名的原因——它参与弱相互作用并具有高质量。WIMP对热大爆炸宇宙模型中暗物质密度的成功解释通常被称为WIMP奇迹。”

可以看出，WIMP肯定比质子重，所以如果允许它撞击原子核，假设被撞核的质量与WIMP相似，那么弹性碰撞就可能发生，这可以使被撞核加速到非常高的速度。获得这种动能后，被撞的原子核可以移动，最终与其他物质碰撞发光。科学家可以通过发射的光来计算出弱相互作用粒子的质量及其相互作用的截面。

在具体操作中，一些科学家选择氙核作为碰撞对象。氙是元素54，氙124是半衰期最长的同位素，被选为实验对象。氙核的质量接近弱质子，因此可以用“关羽与张飞之战”代替“关羽与蚂蚁之战”。这看起来像是一场好戏。

当然，在质量相对较小的暗物质粒子理论中，例如，所谓的轴子的质量在μeV-keV的数量级，所以这不能通过与氙核碰撞来测试，因为氙核对轴子来说太重了，与轴子碰撞就像“一棵被巨大蚂蚁摇动的大树”。

液态氙需要探测的是弱光脉冲。

XENON1T的实验装置位于地下1400米处，里面有一个巨大的水箱，里面装有3.2吨液态氙。如果暗物质粒子WIMP存在，并且它的穿透力非常强，那么WIMP可以穿透地下并与水箱中的氙核碰撞。这次碰撞将产生独特的发光信号，科学家们希望捕捉到这个小概率事件。

实验装置内部(图片来源:氙1t官方网站)

液态氙的意外衰变

最初，科学家认为液态氙非常稳定。它就像故事中等待兔子的“植物”，静静地等待暗物质粒子的“兔子”撞击它。

然而，事故发生了。

最近，XENON1T团队的科学家发现，兔子没有等待，但品种发生了变化。

在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中，XENON1T研究人员宣布他们已经观察到氙124的放射性衰变。氙124变成碲124，其原子序数从元素54变成元素52。

这是怎么发生的？简而言之，这是一个“电子俘获”过程。

电子俘获在白矮星和中子星的形成过程中非常常见。由于强大的引力，原子核捕获电子，然后释放中微子。然而，在正常的环境中，如果没有强大的引力祝福，那么原子核自发捕获电子的概率是非常低的——我们也可以用反证法来看待这个问题。如果这个概率很高，那么我们人类就不会存在。人体的大部分是水。如果水分子中的氢原子核自发地捕获原子核外的电子，它们就会变成中子。如果水分子中的氧核自发捕获电子，它们将成为元素周期表中相邻的氮或碳。我们人类将是“中子”或“碳化的”。

因此，对液态氙核来说，电子的自发俘获只是一个小概率事件。氙124的半衰期为1.8x1022年。

然而，科学家最近发现了液态氙核在捕获电子后衰变的现象。

中微子性质之谜

XENON1T实验组中的液态氙一口气捕获了两个电子。

这件事很大。

我们知道原子核带正电荷。当它突然吸收两个电子时，原子核中的质子和电子结合形成中子。这一过程发生后，学术界出现了两种观点。

第一种观点是，既然原子核吃两个电子，它应该发射两个中微子。这被称为“双中微子双电子俘获”(2νECEC)。

另一种观点认为，原子核吃两个电子，但不发射中微子，这被称为“无中微子双电子俘获”(0νECEC)。

2νECEC工艺流程图(图片来源:XENON1T官方网站)

第一种观点支持粒子物理的标准模型，而第二种观点违反了粒子物理的标准模型，该模型表明中微子是主要粒子——也就是说，中微子的反粒子本身就是。

张佳俊说:“XENON1T实验组的条件仍然相对有限。虽然他们没有探测中微子的条件，但是他们有许多光电倍增管，可以探测x射线和在这个过程中被俄歇电子激发的光信号。从对光信号的能量分析来看，他们支持第一种观点，即他们认为中微子已经被释放了。”

从物理图像来看，只有当两个电子在正确的时间接近原子核时，才能发生双电子俘获，这是“一种罕见的现象乘以另一种罕见的现象，最终变得极其罕见”。从费曼图来看，两个中微子双电子俘获是一个二阶弱相互作用过程，概率极小。如果没有大量液态氙，这一现象的观测时间将远远超过宇宙的年龄。

到目前为止，只有氪78和钡130两种同位素显示出2νECEC衰变的迹象。这个液态氙实验表明氙的原子核也能经历2νECEC衰变。

张佳俊说，这一事件可以证实氙的2νECEC衰变，但目前还不能排除中微子是主要粒子的可能性:“无论中微子是否来自主要粒子，都有可能发生2电子对撞机；然而，只有当中微子是主要粒子时，才会出现0矢量。因此，只有等到更强大的检测技术出现，我们才能给出结论。”

这个实验是一个意外，因为液态氙实验最初并不是为了探测中微子而设计的，但是当暗物质粒子WIMPS没有被发现时，人们意外地发现液态氙产生了2νECEC。这给了我们一个启示:在实验中增加中微子探测装置不仅可以测试中微子是否是主要粒子，还可以测量中微子的绝对质量。