到底有没有暗物质？

余弦-100探测器的建造是为了证明暗物质是否真的被探测到了。资料来源:JAY HYUN JO

二十年前，在意大利地下格兰萨索国家实验室进行暗物质实验的物理学家宣布他们已经发现了暗物质粒子。这是一种神秘的物质，它的重力可以将银河系维系在一起。然而，相关声明一直存在争议。

现在，第一个直接验证DAMA声明的实验已经发布了第一批数据。使用韩国余弦-100探测器的物理学家说，他们没有看到任何暗物质的迹象，但是要真正判断DAMA的结论还需要几年时间。

"他们还不能排除DAMA信号."密歇根大学的理论物理学家凯瑟琳·弗里斯没有参与这两项实验，她说，“但令人兴奋的是，他们可能能够排除这种可能性。”或者确认一下。

对宇宙的观察表明，宇宙中一定有一种看不见的、未知的亚原子粒子。这种暗物质提供的质量对于解释星系中恒星的运动以及宇宙中物质如何聚集在一起是不可或缺的。然而，科学家仍然不知道暗物质是什么。几十年来，实验人员一直在寻找这些粒子，但大多数都没有成功。

为了发现暗物质，物理学家在地下深处部署了超灵敏探测器，以保护它们免受宇宙射线和其他背景辐射的影响。

然而，自1998年以来，DAMA项目成员声称已经看到了这样的信号。该小组的探测器由掺有铊的碘化钠晶体组成，当某些暗物质粒子撞击晶体内部的原子核并使其飞行时，这些晶体会产生闪光。

正如弗里斯和他的同事在1986年预测的那样，DAMA团队已经看到了碰撞率的年度变化，这可能是暗物质的一个强烈信号。意大利研究人员报告称，DAMA探测器碰撞率的上升和下降遵循特定的年度模式，这是地球绕太阳运行时通过暗物质流运动的结果。

如果银河系被暗物质所覆盖，那么当太阳绕着银河系中心旋转时，它应该会有规律地陷入暗物质粒子的风中。此外，当地球围绕太阳运行时，它应该交替地冲进和冲出风，导致暗物质碰撞的速率在一年中增加和减少。如果暗物质由理论学家最倾向的候选粒子组成，即弱相互作用的大质量粒子，那么信号应该在6月达到峰值，在12月到达底部——这正是DAMA所看到的。

其他几个探测器没有看到信号。然而，DAMA研究人员称，这是因为这些探测器使用氙、硅和锗等较重元素作为目标核。罗马托维盖塔大学的物理学家、DAMA研究小组的负责人丽塔·伯纳贝说:“考虑到实验和理论的巨大不确定性，或许还有兼容的空间。”

为了解决这个难题，余弦公司的研究人员制造了一种碘化钠晶体探测器，它也使用铊掺杂。耶鲁大学物理学家、余弦研究小组的联合发言人雷纳·丸山说:“我进入这个领域是为了测试DAMA的结果。我很惊讶其他人没有这样做。”

自2016年以来，这个重达106公斤的探测器一直在韩国东海岸地下700米的向阳地下实验室收集数据。余弦项目小组最近在《自然》杂志上报道说，其前59.5天的数据显示没有暗物质的迹象。

那么，这个结果否定了DAMA的结论吗？不完全是。

因为只有两个月的数据，余弦研究人员无法找到可以解释这个问题的年度变化，而只能在外部辐射造成的背景上找到过多的事件。丸山说，这排除了DAMA看到软骨头。但是贝说测试太弱了，不能这么做。"背景建模是一个相当不确定的过程，通常在低能量下是不可靠的."她说。

然而，弗里斯说，最简单的软骨头版本已经被DAMA自己的数据排除在外。这个论点很复杂，但是最简单的弱质子应该以一种特别简单的方式与原子核相互作用，而不依赖于原子核的自旋。Freese解释说，在这种情况下，由于低能量事件，DAMA的年度周期的峰值和谷值应该在6个月内变化。然而，今年早些时候DAMA提供的低能量数据显示了一个非偏移振荡。弗里斯认为，大妈可能看到了更复杂版本的弱质子或其他暗物质粒子。但是贝说大妈仍然可以观察到最简单的版本。

每个人都同意，为了真正验证DAMA的说法，余弦研究人员必须寻找DAMA看到的相同的年度变化，因为这有助于从背景中提取较弱的信号。丸山表示，余弦的工作尚未结束，年度变化搜索仍在进行中。另外两个实验也试图用碘化钠探测器直接挑战DAMA的结果。

总而言之，所有物理学家都希望探测暗物质。丸山也表达了复制DAMA信号的希望。如果余弦不能做到这一点，“我们可能永远不知道是什么产生了DAMA信号。”弗里斯说。(唐毅宸)

相关论文信息:《自然》第564卷，第83-86页(2018)

中国科学新闻(2018-12-13，第三版国际)