新实验未发现轻量级暗物质

物理学家正在寻找大量弱相互作用粒子的迹象。

资料来源:carlos faham/luxdark matter

这不是物理学家所期望的结果。最近，一项新实验的数据可能会结束寻找暗物质的争论。这种神秘的物质不能通过电磁波观察来研究。尽管已经对暗物质进行了许多天文观测，但对它的组成仍然没有完全了解。最近，在南达科他州桑福德地下研究设施工作的大型地下氙实验(LUX)探测器的研究人员宣布，他们在实验中没有发现轻质暗物质粒子的迹象。

“这可能是一个重大错误。”莱克丝团队成员、布朗大学的理查德·盖茨凯尔说，“我们应该看到数百种物质，但我们什么也没看到。”

LUX致力于跟踪大质量弱相互作用粒子(WIMPS)——对暗物质是由什么组成的最有希望的猜测。与普通粒子相比，这种粒子质量较大，运动速度相对较慢。弱质子可以通过重力和弱力与其他物质相互作用。因为它们不参与电磁力，所以不能被直接探测到。相关理论指出，如果宇宙一开始就挤满了只受弱力作用的粒子，那么就会有足够多的这种粒子来供应暗物质，它们的重量可能是质子的1000倍。

弱相互作用也是从一个叫做超对称性的概念中产生的。在物理学家的主流模型中，超对称性假设每个粒子都有一个更大的“伙伴”，并指出弱质子的重量是质子的数百倍。因此，物理学家更喜欢软子而不是轴子作为暗物质的最佳候选者。

然而，近年来，许多研究小组报告说，实验迹象表明，弱质子出乎意料地轻，不到质子的10倍轻。2010年，在相干锗中微子技术(CoGeNT)实验中工作的物理学家报告称，在明尼苏达州北部的苏丹矿井中，可能有轻量级的中微子撞击他们的440克探测器的迹象。然而，参与目前正在意大利地下格兰萨索国家实验室进行的氙实验的物理学家表示，他们的数据不包括轻质软骨头。关于氙研究人员是否正确校准了装满100公斤冷液态氙的探测器的争论随之而来。

在很大程度上，关于轻量级软骨头最可信的线索出现在今年4月。在苏丹矿山低温暗物质研究(CDMS)项目中工作的物理学家报告了三个清晰的事件:设施中的超低温硅探测器捕捉到了探测器中暗物质粒子和原子核之间罕见的相互作用，并获得了疑似轻量级软物质撞击的线索。值得注意的是，如果这真的是弱等离子体，那么它的质量估计为8.6千兆电子伏，比以前认为的要轻得多，因此违反了其他研究结果。

现在，LUX的研究人员说他们的结论驳斥了CDMS的结论和其他关于轻量级软骨头的线索。位于地下1480米的LUX耗资1000万美元，并于4月开始采集数据。LUX包括370公斤液态氙，这使得它比氙或CDMS更敏感。盖茨凯尔说，LUX的研究人员到目前为止应该已经看到了大约1600起事故，但是他们实际上没有看到任何一起。

结果，LUX的结果解决了关于轻量级WIMPs的争议了吗？芝加哥大学的物理学家兼CoGeNT项目负责人胡安·科尔指出，关键在于LUX的研究人员在多大程度上认可了他们的探测器，以及他们是否能确定这些探测器对低质量的弱质量粒子确实很敏感。“这将取决于他们达到了什么(能量)阈值，以及他们在分析中如何谨慎对待。”衣领说。

当然，真正的目标是检测软骨头是轻还是重。LUX研究人员将在未来两年继续获取数据。此外，他们还建议建造另一个7吨重的探测器，名为LZ。与此同时，氙研究人员计划明年启动一个1吨重的新实验，而CDMS研究人员计划将他们的探测器升级到超级CDMS，并计划将其转移到萨德伯里更深处的SNOLAB。

事实上，对LUX结果最直接的反应可能来自政治领域。资助勒克司和CDMS部分地区的美国能源部将开始审查下一轮暗物质实验。去年年底，美国能源部将13个“第二代”实验应用缩减至5个决赛，包括LZ和CDMS。能源部将选择其中的2~3个继续推进。研究人员表示，截止日期是上个月底，“幸运儿”将于明年1月确定。

然而，能源部只为这些新的实验项目拨款3800万美元，一些研究人员说这还不足以分配给LZ和CDMS这两个最昂贵的实验。衣领预测道:“仅凭这笔钱，不可能同时进行两项实验。”

LUX的研究人员表示，他们希望在DOE做出决定显示他们的探测器按照承诺工作之前，获得他们的第一个发现。此外，衣领指出，研究小组“定位自己非常好”，为相关的审查。他还说，据报道，CDMS也将在短时间内拿出另一个结果。对于美国暗物质研究人员来说，现在没有时间隐藏他们的敏锐度。(张张)

中国科学新闻(2013-105第三版国际版)