打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
暗物质实验:不仅没有看到“暗物质痕迹”,还否定了前面的结论

实验观察到不少暗物质的迹象或一些有可能用暗物质来解释的现象,在让我们受到很大鼓舞的同时,也促使人类投入更多的精力到实验和理论的研究中。但是,一些实验不仅没有任何WIMP 的迹象,还否定了前面的实验结论。这让我们一方面看到暗物质的诡异和神秘,另一方面也看到探寻工作的艰巨。下面介绍几个代表性的实验。

SuperCDMS 实验

同样速度的情况下,WIMP 的质量越小,反冲核的能量越低。要想通过测量反冲核的能谱寻找小质量的WIMP,就需要探测器具有测量低能量的能力。SuperCDMS 合作组采用的CDMSlite 探测器就可实现该要求。该实验与前面讲的CDMS 一样,在美国苏丹地下实验室进行。

图片来自网络

SuperCDMS 实验与CoGeNT 实验一样,属于测量反冲核能谱的直接探寻实验。SuperCDMS 也采用高纯锗半导体探测器,不过CDMSlite 探测器为具有放大功能的锗半导体探测器。半导体内部的强电场可将初始产生的“声子”数量增多,数量增多的声子转换为电信号并放大幅度,即相对电信号的噪声变小,探测器的能量阈值更低。

图4.3.1 所示为CDMSlite 2014 年发表的物理结果。结果中给出了6keV 以下的能谱,除去0.7keV 的电子学噪声(图中竖直的虚线表示)和5~6keV 之间的本底伽马射线峰以外,剩下很少的本底。几乎看不到WIMP 反冲核的能谱特征。如果假设WIMP 的质量和碰撞截面,计算出在锗晶体中反冲原子核的能谱(图4.3.1 中的红色和绿色的虚线分别代表WIMP 的质量为8GeV 或8.2GeV/C2、碰撞截面为1.9×10-41cm2 和3.2×10-41cm2 的能谱)。很显然,与本底比较还不能证明发现了WIMP 事例,不过可由此得到该实验的测量灵敏限。

图4.3.1 CDMSlite 测量到的能谱

图4.3.2 中的黑实线为该实验给出的排除线,曲线以上区域为该实验排除掉的区域。此外,图中也标出了前面讲的可能发现WIMP 的区域:CoGeNT 实验结果用红色表示、CRESST 实验用绿色、DAMA 用咖啡色。由图可知,以上这些实验的结果绝大部分位于CDMSlite 实验的排除区域,这表明CDMSlite 实验否定了他们的结果。

图4.3.2 CDMSlite 的物理结果

XENON100 实验

XENON100 实验在意大利的格兰萨索国家实验室进行,实验深度约1500m。XENON 探测器是两相液氙时间投影室,通过同时测量电荷和光来去除本底,探寻暗物质。实验有效氙质量为65kg,实验中利用第一次光信号S 1 和第二次信号S 2 以及它们的比例来区分WIMP 的核反冲事例和电子反冲的本底事例。图4.3.3 所示为利用中子源和伽马射线源得到的核反冲事例和电子反冲事例,图中纵坐标为S 2/S 1 的对数值,横坐标为信号S 1(单位为光电子数)。

不难看出,在S 1 相等的时候,伽马射线源的反冲电子本底事例的S 2/S 1 要比核反冲事例大,在图中的蓝色区域;中子源的反冲核事例的S 2/S 1 比较小,在图中的咖啡色区域。若WIMP 真的入射到探测器中并将原子核反冲出来,该事例应落在咖啡色区域,或者说,暗物质粒子WIMP 的事例应位于咖啡色区域。

图4.3.3 核反冲事例与电子反冲本底事例的S 1 及S 2/S 1

图4.3.4 所示为2013 年XENON100 发表的实验数据,图中纵坐标为S 2/S 1 的对数值,横坐标为能量值(单位为keV)。图中6.6keV 绿色虚线和43.3keV 蓝色虚线给出了探测能量的范围。结果显示,在蓝色虚线以上和绿色虚线以下的区域内,即利用中子源标定好的核反冲区域(图4.3.3 中的咖啡色区域),没有发现任何核反冲事例,即没有发现WIMP。

图4.3.4 XENON100 实验的结果

根据实验数据采集的时间和探测器中液氙原子核的数量等,只能给出10~1000GeV 区间内WIMP 质量的排除线,如图4.3.5 中绿色线带和黑实线所示,图中绿色线带的宽度表示实验误差的大小,黑线为该实验最灵敏的排除线。质量为100GeV/C2 时,灵敏度可达到σ = 2 × 10 − 45 cm2。此外,图中还有CDMS、ZEPLIN 实验的排除线,不难看出,XENON100实验的灵敏度在大于10GeV 的高质量区最好。

图4.3.5 碰撞截面和WIMP 质量的二维图

太空实验AMS02

除详细研究宇宙线和探测反物质粒子以外,AMS02 实验的一个重要目标是在太空寻找暗物质粒子的踪影。AMS02 通过测量WIMP 粒子湮灭后的产物——正负电子、伽马等寻找暗物质粒子WIMP 存在的证据。

图4.3.6 中的红色实验点为AMS02 于2015 年发表的测量结果,图(a)为正电子和负电子的总能谱(0.5~1000GeV),图(b)和图c 分别为正电子和负电子能谱(0.5~1000GeV)。与图中所示的其他实验数据相比,AMS02 实验的统计误差显著减少,测量精度明显提高。可以说,AMS02标志着宇宙线实验研究进入了高精度时代。

图4.3.6 AMS02 在2015 年发表的测量结果

( a)AMS02 获得的负电子和正电子的能谱;(b)和(c)分别是AMS02 获得的正电子和负电子能谱

此外,AMS02 还获得了0.5~350GeV 能区的正电子通量与所有正负电子通量的比,即Φ e+/(Φ e++Φ e-),如图4.3.7 所示,图中红色数据点为AMS02 的实验结果,绿色为ATIC 结果。

图4.3.7 AMS02 和其他实验测量得到的正电子比例

很显然,AMS02 实验中没有看到ATIC 或PAMELA 所观察到的现象,正电子比并没有随着能量的提高而特别地增加,AMS02 也没有证实所谓ATIC 发现的正电子比的反常超出。

对撞机LHC 上探寻无果

最高能量对撞机LHC 上暗物质粒子的人工产生和探测的基本思路已在3.3 节中做了介绍,这里仅介绍一个典型的例子,如图4.3.8 所示,正反夸克对撞产生了一对WIMP 粒子,同时还有高能伽马辐射出来。这种只产生一个伽马的事例通常叫做单伽马事例。对撞区域的探测器可以很好地探测到辐射出来的高能伽马射线,但WIMP 逃逸出探测器,几乎没有可能探测到WIMP。图4.3.9 所示为该类事例在ATLAS 中的表现。

图4.3.8 夸克对撞产生了一对WIMP 粒子的同时有伽马辐射出来

ATLAS 的最内层为径迹探测器,绿色为测量伽马射线能量的电磁量能器,红色为测量中子等强子的量能器;最外层是测量μ 子探测器。左图所示,不仅获得反应后产生的所有普通粒子和伽马射线在探测器中的径迹,还能获得其能量或动量。右图所示为伽马射线的能量大小。

虽然我们探测不到WIMP,但知道对撞前粒子的能量和动量,也可以通过图4.3.9 中的径迹获得所有探测到的粒子及伽马射线的能量。根据能量和动量守恒,可得 WIMP 所带走的能量或动量,从而获得人工产生WIMP 的迹象。但遗憾的是,对撞中除了WIMP 产生外,还有很多其他单伽马反应过程的事例,这些事例中有探测不到的中微子等也会将能量带走,这些都成为WIMP 的本底事例,我们必须彻底剔除掉这些单伽马反应过程的本底事例才行。图4.3.10 给出了2012 年ATLAS 探测器的数据,图中纵坐标为不同能量下的事例数,横坐标为能量,彩色部分为各种可能的单伽马反应事例的本底事例,黑点为实验数据。不难看出,将本底扣除掉后几乎没有任何多余的事例,没有看到任何WIMP的迹象。

图4.3.10 的下图是数据与标准模型理论的比,基本在1 附近,说明没有标准模型理论以外的意外数据。高能区似乎大于1,但事例太少,统计涨落很大。

图4.3.10 ATLAS 不同能量的单伽马事例数

当然,这只是在LHC 上探测WIMP 的一个例子,实际上科学家们对很多可能的反应都做了大量的研究侦测工作,但到目前为止仍然是侦测无果。

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
暗物质是什么?有多神秘?
暗物质探测:寻找暗物质粒子与原子核的碰撞
常进:探测暗物质
捕获暗物质:宇宙中的神秘幽灵|赛先生天文
暗物质发现在即?
暗物质:我被宇宙线加速了!
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服