暗物质面临终极考验

DAMA的团队使用铜中的碘化钠来发现暗物质。来源:LNGS-INFN

对于暗物质的研究来说，这是一个禁忌的问题:很难相信暗物质声称被探测到；无法确认，很难解释清楚。今天，将使用相同类型探测器的四个设备要么正在准备中，要么正在等待上线。物理学家说，在三年内，这些测试将能够证实暗物质的存在，或者完全排除这种说法。

“这将得到解决。”领导其中一项研究的普林斯顿大学研究员弗兰克·卡拉普莱斯说。

第一个声称已经探测到暗物质的人是DAMA团队，他们的探测器位于意大利罗马东部大萨索山下的一个实验室里。十多年来，它已经报道了大量暗物质存在的证据。第一个新的探测器将在韩国发射，并将在几周内开始收集数据。在接下来的几年里，其他探测器将在西班牙、澳大利亚和萨索山发射。这四种设备都将使用碘化钠晶体来探测暗物质。

科学家有充足的证据表明暗物质存在，或者至少比普通物质丰富五倍。然而，暗物质的性质仍然是一个谜。主流的假设是，至少有一部分暗物质是由大质量的弱相互作用粒子组成的。在地球上，软物质偶尔会撞上原子核。

如果这种情况发生在探测器上，DAMA的碘化钠晶体会产生闪光。与此同时，尽管天然放射性也能产生这种闪光，但DAMA在1998年首次声称能探测到WIMP，其依据是每天产生的闪光数量随季节而变化。

他们相信，如果信号是由当太阳系穿过银河系的暗物质晕时洒在地球上的弱作用粒子产生的，这正是科学家们所期望的。在这种情况下，穿过地球的粒子数量应该在6月初地球轨道与太阳一致时达到峰值，在12月初地球轨道偏离太阳时达到最小值。

有一个大问题。"如果它真的是暗物质，许多其他实验应该已经发现了它."德国卡尔斯鲁厄理工学院的理论物理学家托马斯·施韦茨-曼戈尔德说，但是到目前为止还没有这样的东西。然而，与此同时，所有试图在DAMA测试中发现弱点的尝试，如研究人员未能考虑环境影响，都以失败告终。"调制信号在那里."加州大学圣地亚哥分校的Kaixunani说。倪致力于一项名为XENON1T的暗物质实验。"然而，如何解释这个信号——它是来自暗物质还是其他物质，仍然不确定."

尽管朝鲜隐形材料研究(KIMS)项目使用了碘化铯，但其他全面测试没有在探测器中使用碘化钠。因此，存在暗物质与钠以不同方式相互作用的可能性。今天，三个暗物质探索小组——KIMS、耶鲁大学的德米特里冰(DM-Ice)和西班牙萨拉戈萨大学的阿纳伊斯(ANAIS)——都获得了放射性水平约为DAMA背景的两倍的晶体。他们认为这样的纯度足以测试结果。

KIMS和德美冰在首尔以东160公里的向阳地下实验室联合建造了一个碘化钠探测器。负责管理KIMS的韩国大田地下物理中心的主任荣都金说，该设备使用了一种传感器，可以更好地将暗物质信号和噪音分开。

阿纳伊斯公司正在西班牙比利牛斯山脉的坎弗兰克地下实验室建造一个类似的探测器。KIMS/DM-Ice和ANAIS将共同拥有约200公斤碘化钠，并将共享数据。这几乎和DAMA的250公斤一样，允许他们捕获相似数量的软骨头。耶鲁大学研究人员赖纳·丸山(Reina Maruyama)领导的DM-Ice公司表示，尽管新的探测器会有更高水平的背景噪声，但仍有可能证明DAMA信号是假的或再现它们。

然而，卡拉普莱斯认为高纯度比质量更重要。他和他的合作者开发了一种减少污染的技术，并于今年1月宣布他们首次获得了比DAMA使用的碘化钠纯度更高的晶体。他希望将背景水平进一步降低到DAMA的十分之一。

SABRE项目将在大萨索山放置一个探测器，在澳大利亚维多利亚的一个金矿建造的斯塔菲地下物理实验室放置一个探测器。它还将使用一个总重量为50公斤的传感器从噪音中提取暗物质信号。

卡拉普莱斯表示，SABRE应该在一年左右的时间内完成研发阶段，之后不久将开始建造探测器。后来，它将允许其他实验室获得这项技术，但DAMA没有做到。在北半球和南半球安装“双”探测器可能有助于了解环境影响是否模拟了DAMA结果中暗物质的季节性——如果信号来自WIMP，那么两个探测器应该能够同时看到峰值。

罗马第二大学的发言人丽塔·伯纳贝说，DAMA至少要到2017年才会公布最新结果。她对即将建造的碘化钠探测器不抱希望。“我们的结果在14个年度周期内被反复检查了无数次，因此我们没有理由对其他人可能取得的成就感到兴奋。”她还说，如果在其他测试中没有发现年度调制信号，她的团队会认为它们没有足够的灵敏度。(宗华)

中国科学新闻(2016-04-14第三版国际版)

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