是否观测到暗物质粒子,或给出暗物质的质量与作用截面等均可以用截面- 质量的二维坐标来表示。下面分别看看直接探寻、间接探寻和加速器产生三个方向研究的目前结果。
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图4.4.1 中基本上汇总了2014 年之前所有国外直接探测暗物质粒子WIMP 的状况,图中的纵坐标为相互作用截面,横坐标为暗物质的质量。
如果实验中获得了暗物质的信号,就能给出暗物质的质量范围以及相应的相互作用截面,并标识在图中。图中标有DAMMA 字样的是DAMMA组依据年度调制效应得到的结果,标有CoGeNT 字样的是CoGeNT 利用HPGe 探测器的能谱测量给出的结论。图中还标有几条曲线,分别是CDMS 和XENON100 给出的排除线。表明他们没有看到WIMP 的信号,只能给出其实验所能达到的灵敏度上限。曲线上方区域为被该实验排除的区域,即暗物质粒子不可能有的区域;曲线下方为还不能排除的区域,即如果宇宙中真有暗物质,也应该在曲线下面的区域。
不难看出,各实验结果在低质量区域表现出明显的矛盾,有些实验给出的可能暗物质粒子质量和相应的作用截面,在另一些实验中则处于排除区域;在高质量区,所有实验发表的结果都只给出了排除线,且均未看到任何暗物质。
图4.4.1 直接探测暗物质粒子的实验结果
到目前为止,低质量区虽然有观察到WIMP 迹象的直接探测实验(图中的彩色区域),但没有真正被大家公认,基本上均被另外一些实验排除;在质量高的区域实验结果没有矛盾(图中的绿色区域),虽然实验的灵敏度很高(作用截面的灵敏度达到10-44cm2),但都没有发现任何WIMP 的迹象。低质量区实验结果存在矛盾,灵敏度也很差,这与实验的探测方法、测量精度及实验条件有很大关系,因此该区域依然是人们非常关注的区域。
图4.4.1 中下部的黄色部分为存在太阳中微子、大气中微子和超新星中微子本底的区域。若实验的灵敏度达到这个区域,会存在中微子本底干扰,给直接探测WIMP 带来新的难题。目前的探测活动还没有深入该范围。
黄色和绿色之间很大的空白部分是目前实验还没有达到的区域,也是将来实验探寻WIMP 的广大战场。探测手段必须向着压低本底提高灵敏度和降低能量测量阈等两个方向努力,为此科学家们提出了很多改进提高的实验方案或新技术。相信在不久的将来,在暗物质直接寻找和研究方面可能取得突破性进展。
图4.4.2 CMS 实验结果和CDMS 等直接探测实验结果的比较
加速器LHC 上寻找暗物质粒子方面,虽然两大探测器CMS 和ATLAS 都从各种不同反应途径寻找WIMP,但均无建树,目前只能给出可能的灵敏度或排除线。图4.4.2 所示为CMS 目前的结果。与一些直接探测实验结果(如CDMSlite、LUX 等)比较,CMS 实验结果在高质量区较差,但在低质量区较好。
图4.4.3 Fermi-LAT 、MAGIC、HESS 等间接探测WIMP 的结果
同样,间接探测WIMP 的几个实验也没有真正获得WIMP 的证据,也只能给出排除线。 图4.4.3 所示分别为Fermi-LAT 、MAGIC、HESS等实验探测的结果。
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