暗物质粒子最后大搜查

长年搜寻暗物质粒子的实验皆未有所获,新升级的液态氙探测器或许能找到真相。

中子滤除装置:升级后的XENONnT实验有记录自由中子的系统,这些中子会产生类似于暗物质所引发的讯号。有时探测器周围水箱中的不锈钢或来自太空的宇宙射线都会释出中子,导致错误的侦测结果。水箱内部设置了用来滤除中子的八角笼,笼子背面装设的光电倍增管可侦测中子。(摄影:萨切帝(EnricoSacchetti))

科学家总爱说,负面结果与正面结果一样重要,但要是数十年来都没有得到任何发现,他们理所当会深感不耐。暗物质是触摸不到但显然充斥宇宙的无形物质,而早在年代,就有实验开始尝试侦测暗物质的组成粒子。从那时起,物理学家陆续发现证据显示,暗物质是真实存在,却无法找到关于它的任何讯号。去年6月开始,长期运转的「二相液态氙探测器」(XENON)实验升级了,期望能打破这种困境。

物理学家对暗物质组成粒子最合理的猜测之一,是「弱作用大质量粒子」(WIMP)。这种粒子的基本单位可能介于1~个质子质量,并且仅透过重力以及造成放射性的弱核力与一般原子发生交互作用。但是多年来,实验一个接一个皆毫无斩获,科学家的热情也逐渐消退。美国普渡大学的物理学家兰恩(RafaelLang)说:「我的确开始怀疑,我们可能下错赌注了。」兰恩在义大利格兰沙索国家实验室从事XENON实验长达10年,不过他目前仍把赌注押在WIMP上,并指出此实验已淘汰许多WIMP的理论,但是尚未全数出局。他说:「如果你10年前相信WIMP,那么这些WIMP理论目前只有一半出局,有一半还在场上。」

暗物质还有许多假设性粒子。最热门的是轴子(axion),这种较轻盈的理论性粒子近来已被描述为「类轴子粒子」这种可能的流体类别。还有些科学家兴奋提出暗物质可能是复合粒子,也就是由暗夸克和暗胶子组成,就像一般的夸克和胶子会黏附在一起,形成「暗原子核」。当然,暗物质也可能根本不是粒子,有个尚未完全成熟的想法是,暗物质是由大霹雳后不久形成的太初黑洞(primordialblackhole)所构成。

XENON实验升级成XENONnT,于去年开始收集数据。目标是在极稀罕的情况下,趁暗物质粒子撞上一般原子时记录下来。所谓一般原子是指重达8.3公吨的液态氙,以桶装放置于地下1.6公里,阻绝宇宙射线和其他杂讯。氙有54个质子和电子以及为数更多的中子,是让暗物质会撞上的理想致密物。如果外来粒子撞上氙原子核,氙释出的质子、中子或电子可能会穿透液体、产生闪光,而装设于液态氙桶顶部和底部的光电倍增管便可侦测到闪光。XENONnT的氙原子数量是先前的四倍,意味侦测到讯号的机会也会提升四倍。其他新功能包括更纯化的氙、使用更好的系统来侦测宇宙射线,并且侦测该实验及其外壳中可能误判成暗物质讯号的宇宙射线和微量放射性元素。兰恩说:「探测器上的每个螺母和螺栓都是订制的,材料也精挑细选,因为单是购买市售的不锈钢螺栓,放射性就太高,无法符合实验需求。」

对外界来说,多年的辛勤工作没有回报,可能令人失望,但物理学家有不同看法。未参与这项实验的欧洲核子研究组织(CERN)理论物理学家葛拉波斯卡(DorotaGrabowska)评论:「如果只以侦测到暗物质来判断成功与否,那么实验是失败的。但从科学社群的角度来看,这项实验非常成功。」她表示,该实验的成功之处在于:以绝佳的灵敏度排除了许多可能。

现在,寻找WIMP已经来到转捩点。在不久的将来,地底暗物质实验就会把大多能够确认的暗物质理论,都确认一遍。如果这些实验仍未找到WIMP,就可能表示它们不存在,但也可能仅表示它们以某种方式作用而躲过了侦测。不过,科学家一定会继续提出新的想法,推测暗物质组成粒子,并想出新的搜寻方法,进而建造新的探测器。美国加州大学圣地牙哥分校的理论物理学家林同妍(TongyanLin)说:「若有侦测暗物质粒子的新方法,令人十分兴奋,而这需要丰沛的创造力。」她参与的其中一项研究,是以晶体来侦测暗物质粒子。与传统的探测器相比,晶体形式的矽元素等物质或许可在较低能量的情况下与暗物质发生交互作用,从而开启新的发现途径。

尽管暗物质比某些科学家最初设想的更难捉摸,但要物理学家放弃,为时尚早。加州大学尔湾分校理论物理学家泰特(TimTait)说:「很多人对科学的看法就像美国影集「星舰奇航」:看到某样东西,拿出三度仪一扫就能得到答案。实际上,科学发现是非常混乱的过程,你得多方尝试,直到找到可行的方法为止,而所有不可行的事物都是这个过程的重要环节。」



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