迄今最大暗物质试验蓄势待发

XENON1T地下试验对暗物质超级敏感。来源:氙合作

最近，世界上最灵敏的暗物质探测器开始在意大利中部的大萨索山下运行。暗物质是一种神秘的物质，据信占据了宇宙质量的85%。如果暗物质在这个叫做XENON1T的实验中被发现，它将被记录在历史书上。与此同时，许多理论家认为，如果什么都不能实现，将这种难以捉摸的物质排除在外将会有很大帮助，这种物质是一种弱相互作用重粒子(WIMP)，由超对称性预测。超对称性是粒子物理标准模型的延伸。

欧洲核研究委员会(CERN)的大型强子对撞机(LHC)，瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室，也在寻找超对称的WIMP。位于大萨索国家实验室的XENON1T由意大利国家核物理研究所(INFN)运营，预计将于2016年3月底开始收集数据。

尽管暗物质既不发光也不吸收光，但它对恒星和星系的引力影响为它的存在提供了强有力的间接证据。为了直接找到暗物质，科学家们正试图测量暗物质“光环”中的粒子——被认为覆盖了银河系——与地球上普通物质的原子相互作用时所发出的微小能量。然而，这种相互作用是极其微弱的，经过20多年的搜寻，还没有找到令人信服的证据。

为了找到答案，氙团队的125名科学家将监测3.5吨液态氙。这个数量级超过了目前世界一流的暗物质探测器——大型地下氙(LUX)测试，该测试在南达科他州的Homestake矿进行。

当XENON1T的灵敏度超过LUX时，仍然存在一些争议。哥伦比亚大学物理学家、XENON1T发言人埃琳娜·阿普里尔(Elena Aprile)表示，这将在手术后一周发生。相反，莱克丝的联合发言人、布朗大学的理查德·盖茨凯尔给出了近两个月的数字。

无论如何，新的探测器原则上可以在启动后的几周内随时探测到暗物质。然而，检测不到的时间越长，对软物质与正常物质相互作用所需力的限制就越低。

LUX已经排除了其他几项测试检测到的低质量WIMP探测信号。其中两个测试——同样位于大萨索的CRESST和位于明尼苏达州苏丹矿区的Cogent——也证实了它们的信号是由背景过程引起的。Xenon1T突出的灵敏度将使科学家能够排除超对称WIMP可能具有的许多剩余的相互作用力范围。

英国伦敦国王学院的粒子理论学家乔纳森·戴维斯对XENON1T将独立测试任何由LHC探测到的超对称WIMP感到兴奋。然而，参与CoGeNT实验的芝加哥大学物理学家胡安·衣领认为，如果两个实验都不成功，“将越来越难找到有兴趣继续寻找超对称WIMP的实验者”。

他还说，这对更常见的超对称来说是个坏消息。“负面结果和来自LHC的相同结果的结合对这些理论是一个致命的打击。”

然而，伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的粒子理论家丹·胡珀并没有得出如此坚定的结论。他认为，为了排除超对称WIMP或证明暗物质的存在，来自XENON1T的数据和一些计划中的更敏感的测试将需要大约10年。

然而，物理学家都认为，XENON1T所不能做的是排除它继续发展的断言——17年前，大萨索达马合作组织宣布了dama物质的发现。该小组坚持认为，在碘化钠探测器中观察到的信号的季节性波动只能用地球围绕太阳旋转的速度相对于暗物质晕的微小变化来解释。

尽管其他物理学家怀疑DAMA探测器是否真的发现了暗物质，但戴维斯说，理论家们已经提出了一个模型，在这个模型中，暗物质粒子与比氙强得多的碘化钠相互作用。同样，只有另一种使用碘化钠的探测器才能真正解开DAMA之谜。

一个名为余弦的合作组织正计划这样做。耶鲁大学的沃尔特·佩特斯是合作小组的成员之一，他说他们将使用两个碘化钠探测器——一个在韩国，另一个在西班牙。希望COSINE能在2018年夏天收集到足够的数据来排除DAMA的断言，或者观察到具有相同特征的年度周期。Pettus说，如果发生后一种情况，COSINE将在南半球重复这一操作，那里的季节正好相反。如果信号真的是暗物质，那么年调制效应应该不会改变。(宗华)

中国科学新闻(2015-123第三版国际版)

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