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暗物质搜寻到了生死关头

世界最大的大质量弱相互作用粒子探测器即将开张,但到底能否找到假想中的暗物质粒子,人们信心不足。

作者 Adrian Cho

翻译 曹则贤*

2016年3月,在意大利亚平宁山最高峰巨岩峰(Gran Sasso d’Italia)之下1.4公里深处的洞穴实验室内,物理学家开始向一个圆柱形罐子注入液氙——一种密度约为水密度三倍的冷物质。此一高宽皆约一米的罐子将成为一吨氙探测器(XENON1T)的核心,该探测器是目前用于搜寻大质量弱相互作用粒子(WIMP)的最大探测器。

WIMP 是设想中的构成神秘暗物质的粒子。暗物质充满我们的星系并通过引力将之紧紧聚拢在一起。但是,此时尽管XENON1T探测器超越了物理学家过去30年中搜寻WIMP(所遇到)的关键尺寸阈值,研究者们却开始怀疑起WIMP这个概念了。

芝加哥大学的理论物理学家Rocky Kolb把WIMP探索比作一场橄榄球赛,他说:“已到了生死存亡关头。比赛已进行到了下半场,或许是到了最后1/4时段,可我们还没得分。”哥伦比亚大学实验物理学家、XENON 团队的负责人 Elena Aprile 则宣称新探测器确实大有机会发现WIMP,“WIMP也许就在不远的拐弯处”。但是,她又补充道,“我们不敢肯定是否1吨还是10吨的氙才够用,在这个意义上说我们也许正在失去信心。”

其他的暗物质研究者表达了与她同样的关切。几年前,在最大的WIMP探测器还只是几公斤重的时候,大多数人认为(使用)一吨氙的实验要么能发现 WIMP,要么会对这个想法来个了断。但是一代一代越来越大的探测器都了无结果,而物理学家们在重新思考指向 WIMP粒子存在的那些说辞以及如何才能发现WIMP。几个更大的探测器正在建造中,同时研究者们还在规划终极WIMP探测器。可是,哪怕是最急切的暗物质猎手也不确定是否值得建造巨型探测器。

用于搜寻源自WIMP与氙原子核碰撞之光闪烁的一簇光探测器。

WIMP的概念可回溯到上世纪80年代初期。1983年在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的粒子物理实验室发现了传递所谓弱相互作用的粒子:飞逝的W-玻色子和Z-玻色子。那时候理论物理学家认识到,如果玻色子具有相似质量(几百倍的质子质量)的不带电荷的表兄弟,则足够多的此类重而冷漠的粒子将在宇宙大爆炸后四处漂泊,构成其引力足以把星系和别的宇宙大尺度结构聚拢在一起的不可见的质量。WIMP的概念诞生了。

受 “WIMP奇迹”的启发,理论家们认识到超对称的概念也预言WIMP的存在。超对称性设想每一种已知粒子都有一个质量更大但具有不同自旋的伙伴。在多种超对称版本中,最轻的超伙伴是稳定的、中性的,且如同 WIMP那样只参与弱相互作用。此一(同超对称理论的)联系使得 WIMP成了暗物质的两个最可能候选者之一(另一个是轴子,源自强作用的一种假想粒子。参见Science, 1November 2013, p. 552)。

物理学家设想了三种WIMP 探测方式(参见Science, 6 July 2007, p. 32)。首先,他们希望在 WIMP 撞入如XENON1T那样的置于地下从而免于其它常规射线干扰的超灵敏探测器中的原子核时,直接锁定它们。第二,他们希望在世界最大的原子粉碎者,即CERN的大型强子对撞机(LHC),上直接产生 WIMP 和其它超对称粒子。第三,他们希望发现传说中的我们星系中心的WIMP在互相碰撞和湮灭过程中所发出的辐射。超对称理论预言存在这些过程。

论及起地下探测器,那是越大越好,因为越是庞大的实验(装置)越是能提供更多让WIMP去撞击的原子核。在整个世界范围内,十几支队伍在各种类型的探测器上正工作着。当前的最高灵敏度属于在美国南达科他州桑福德地下探测装置的大型地下氙(LUX)探测器,其中装有370公斤的液氙。2014年,LUX越过了盛有62公斤液氙的第二代XENON探测器。实际上会注入3.5吨液氙的XENON1T探测器将成为排头兵,当它今年春开始记录数据的时候,预期会比LUX灵敏一百倍。

但是物理学家们对其前景感到很焦虑。他们的主要关切是,LHC经过6年运行没有发现关于超对称的任何证据,那可是WIMP模型的基础呀。也许还不算为时已晚,因为直到去年LHC只是在半能量(指标)上运行。然而,如芝加哥大学物理学家Juan Collar所言: “明显的事实是,LHC的产出中没有任何关于超对称的迹象。”

为了给他们的赌局护盘,暗物质研究者们在忙着建造更大的探测器XENON1T的设计使其可以在两年内被扩展为XENONnT,其将能盛装7.5吨的液氙。 LUX上的研究者正在建造被称为LZ的探测器,其能装入10吨的液氙,将于2019年投入使用。

物理学家断言,追逐更大的WIMP探测器的竞赛不能无休止地进行下去。比XENON1T灵敏100倍的探测器将会遭受来自中微子的干扰。来自太阳或者其它源头的中微子会在探测器中造成引起混乱的类WIMP信号。触及中微子(所造成的信号)背底标志着路的尽头。

搜捕 WIMP 之路的终结

当探测器灵敏度逐渐增高到能探测来自中微子的干扰时,对WIMP的跟踪搜寻就将可能终结。这些探测器已经排除了超对称性WIMP的若干范围。

欧洲的物理学家们早已在计划推进至此一极限。瑞士苏黎世大学的实验物理学家、XENON团队成员Laura Bandis在领导一个DARWIN计划,DARWIN是一个将安放在巨岩峰地下的、盛有50吨液氙的探测器,造价可能高达六千万美元。 Bandis说她的团队希望2020年能开始建造。

其它的物理学家团队却不是那么热心。来自印第安纳州普渡大学的XENON成员Rafael Lang说:“[XENON1t]之后的事情是仔细检查,确信没有漏过任何角落。”芝加哥大学的Collar则说:“我不知道有多少人会对此有兴趣。我知道我肯定是不会的。”

但是Bandis 强调DARWIN 将也会开展中微子物理的关键实验。她说 “我不会将之只用于填补WIMP (探测器)的空隙。”该探测器也可以用于探测假想的无中微子双β衰变,此一核衰变过程将证明中微子是其自身的反粒子。它还可以获得高精度的太阳中微子谱。

与此同时,一些实验家认为是探索其它暗物质候选者的时候了。 Collar正在建造一个小的探测器,拟用于探测更属推测性的大质量强相互作用粒子。强相互作用粒子与普通物质之间的作用太强,因而无法到达地下探测器。但是,许多其它建议的暗物质候选粒子缺少WIMP奇迹那样的与已知物理的联系。Aprile坦言,很难知道要构造哪类实验, “想法太多了”。如果WIMP 不及早现身,暗物质搜寻者们也许不知道接下来该去找什么了。

* 译者为中国科学院物理研究所研究员。

原文为Crunch time for dark matter hunt—Little confidence that biggest WIMP detector ever will find hypothesized particles, Science 351,1376-1377(2016)

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来自:chaoyueshikong  > 宇宙探索
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