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暗物质面临终极考验

2020-02-26 23:59

暗物质面临终极考验 未来3年多个团队将展开相关试验确认存在与否

作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2015/11/23 9:40:39 选择字号:小 中 大 迄今最大暗物质试验蓄势待发 将创造历史或终结超对称暗物质理论

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XENON1T地下试验对暗物质超级敏感。图片来源:Xenon collaboration

DAMA团队利用放在铜中的碘化钠寻找暗物质。图片来源:LNGS-INFN

近日,全球最敏感的暗物质探测器在意大利中部大萨索山地下开始运行。暗物质是一种神秘物质,被认为占据了宇宙中85%的质量。如果这项名为XENON1T的试验发现了暗物质,它将被载入史书。与此同时,很多理论家认为,如果一无所获,将对排除这种难以捉摸物质的热门候选者超对称所预言的一种弱相互作用重粒子大有帮助。超对称是对粒子物理标准模型的扩展。

对于暗物质研究来说,这是一个为人们所忌讳的麻烦:声称探测到暗物质,却很难被相信;无法确认,要解释清楚也极其不易。如今,将利用同一类型探测器的4台设备正在筹备中或等待上线。物理学家表示,3年内,这些试验将能确认暗物质的存在,或者将这一说法彻底排除。

位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室欧洲核子研究委员会大型强子对撞机也正在寻找超对称WIMP。坐落在大萨索国家实验室的XENON1T由意大利国家核物理研究所运行,并有望在2016年3月底开始收集数据。

“这将得以解决。”主导其中一项努力的美国普林斯顿大学研究人员Frank Calaprice说。

虽然暗物质既不发光,也不吸收光线,但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。为直接寻找暗物质,科学家试图测量当暗物质光晕中的粒子被认为覆盖了银河系同地球上普通物质的原子相互作用时所发出的微小能量。不过,这种互动极其微弱,20多年的搜寻尚未发现令人信服的证据。

最初声称探测到暗物质的是DAMA协作组,其探测器坐落在意大利罗马东部大萨索山地下深处的一个实验室里。十几年来,它报告了暗物质存在的大量证据。将要上线的首台新探测器位于韩国,准备几周后开始收集数据。未来几年内,其他探测器将在西班牙、澳大利亚和大萨索山相继上线。所有4台设备都将利用碘化钠晶体探测暗物质。

为了有所发现,XENON合作组的125位科学家将监控3.5吨的液体氙。这一数量级超越了在美国南达科他州霍姆斯特克矿进行的当下全球一流暗物质探测器大型地下氙试验。

科学家拥有表明暗物质存在或者比普通物质至少丰富5倍的大量证据。不过,暗物质的本性仍是个谜。主流的假设是,至少暗物质的一些质量是由大质量弱相互作用粒子构成的。而在地球上,WIMP应该偶尔会撞上原子核。

关于XENON1T的敏感性何时超过LUX目前还存在一些争议。哥伦比亚大学物理学家、XENON1T女发言人Elena Aprile表示,这将在运行的一周后发生。相反,LUX共同发言人、来自布朗大学的Richard Gaitskell给出的数字是差不多两个月。

如果这在探测器中发生了,DAMA的碘化钠晶体会产生一道闪过的光。同时,尽管天然放射性也会产生此类闪光,但DAMA在1998年首次声称探测到WIMP,是基于每天产生的闪光数随季节发生变化的事实。

不管怎样,在启动后的几周内,新探测器原则上能随时探测到暗物质。不过,它探测不到的时间越长,对WIMP和正常物质相互作用所需力量要求的限制将越低。

他们认为,如果信号由太阳系穿过银河系暗物质光晕时洒向地球的WIMP产生,这正是科学家们所期望的。在这种情形下,穿过地球的粒子数应当在6月初地球的轨道运行同太阳呈一条线时达到顶峰,并在12月初地球的运行同太阳相背离时达到最低。

LUX已经排除了若干其他试验探测到的低质量WIMP试探性信号。其中两项试验同样位于大萨索的CRESST和位于明尼苏达州苏丹矿井的CoGeNT也证实,它们的信号是由背景过程引起的。Xenon1T出众的敏感性将使科学家得以排除超对称WIMP可能拥有的很多剩余范围的相互作用力。

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