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暗物质模型遭受迎头两击

原文标题:Two Blows for Popular Dark Matter Model

作者:Monica Young   原文来自:SkyandTelescope.com  Posted: 2013. 10. 30

编译:Melipal  审校:Linq

新近的 两项实验为潜伏在宇宙中难以捉摸又不可见的 物质最被看好的 物理模型提出了限制。

这两周对于WIMP来说是坏日子。

弱相互作用大质量粒子(WIMP)是暗物质最佳候选对象之一,暗物质是占据宇宙中物质总量84%的 不可见成分。但是旨在探寻此类难以捉摸的 粒子的 两项新实验都一无所得,让先前有希望的 结果变得十分可疑。 

WIMP-y的 暗物质线索

根据定义可知,暗物质并不与光线发生作用,因此它不仅是暗的 ,而且还是透明的 。虽然我们知道它会与引力发生作用,这种作用只会给出暗物质存在的 间接证据,如影响星 系 的 自转。

但是WIMP理论认为,暗物质粒子同样也会与弱力发生作用。弱力是决定亚原子层次本性的 基本作用力。因此WIMP粒子可能会很偶然地撞入重核中,留下一个可以探测的 信号。直接撞击的 概率非常非常低,不过用致冷硅片、锗片或氙元素堆积而成的 地下探测器最有可能取得成功。


几架探测器宣称看到了WIMP相互作用的 迹象(但并没有实际探测到,否则就可以直飞斯德哥尔摩了)。其中的 一些,如CDMS-II、CRESST以及CoGeNT看到了WIMP与质量在10 GeV附近的 粒子发生作用的 可能信号,这样的 信号已经足够重要,可以对外公布了,但是在统计上还不是那么的 显著,不算是真正的 探测。另一架探测器也就是DAMA/LIBRA看到过一次更强的 信号,不过并非所有人都相信它是来自WIMP的 。

但是并非所有的 实验都看到了暗物质的 正信号。XENON-100探测器由于没有看到任何WIMP的 相互作用,已经对先前的 结果提出了一些质疑。但是物理学家并不是不能在理论上解释这样的 结果。举例来说,一些人认为,WIMP与CDMS-II中硅原子的 相互作用方式可能与XENON-100中的 氙原子不尽相同。 

零结果

现在一项名为LUX(大型地下氙元素探测器即Large Underground Xenon的 缩写)可能堵死了这条路。布朗大型的 理查德·盖茨克尔(Richard Gaitskell)与耶鲁大学的 丹·麦肯锡(Dan McKinsey)30日宣布了LUX最初运转85天的 结果。新的 探测器比XENON-100要灵敏20倍。研究者指出,假设CDMS-II的 探测结果是真实的 ,那么LUX充斥着液态氙的 6英尺高钛罐应该会与大约1550个WIMP粒子发生作用。

而实际上是0个。

盖茨克尔说:“看起来(CDMS-II与LUX)是不相容的 。”这次认为WIMP粒子与不同元素相互作用的 方式不同也不管用了。“LUX的 结果直接与DAMA、GoGeNT以及CRESST相冲突。”

(下图说明了一切——让人吃惊的 是,图中的 蓝线是LUX给出的 上限,它位于先前的 实验所有探测结果之下,这些结果以彩色斑块表示。)

旨在寻找WIMP粒子的 直接探测实验结果,图中X轴表示粒子质量,Y轴表示其与普通物质发生相互作用的 概率。除紫线外所有的 结果都标注以实验名称,紫线是ZEPLIN-III实验的 结果。板块表示某实验看到WIMP相互作用迹象的 区域,而线条表示没有探测到WIMP的 实验给出的 上限。LUX实验是最新的 一个,蓝线表示LUX数据给出的 上限,它排除了其上方所有的 参数空间。大图请点击(图片提供:Jeremy Chapman)

费米国家加速器实验室的 暗物质专家丹·胡珀(Dan Hooper)并没有参与LUX的 研究,他同意LUX的 结论:“对于我来说,考虑LUX的 新结果,公平地说CoGeNT与CDMS数据中的 暗物质相互作用看起来是不太可能的 。”

他又补充道:“如果我说我只是有一点点失望,那我就是在撒谎。”

如果LUX的 结果排除了所有先前的 探测,那么其他探测器看到的 都是什么东西?盖茨克尔说,对于CDMS-II、CoGeNT以及CRESST给出的 勉强结论来说,很难相信这些边缘数据。“我认为不走运的 是,我们看到的 是一系 列局部的 结论和实验,他们给出的 报告就处在探测能力的 极限上。”

但是DAMA的 结果无论如何都算不上是边缘——相反,几乎无法将其结论解释为统计上的 偶然事件。盖茨克尔解释道:“毫无疑问的 是,DAMA测量到了一些东西。这里的 挑战就是确定它是否起源于天体物理过程,或者说它只是更平凡的 人类起源,要么干脆只是地球上的 事件导致的 。”

虽然LUX看起来与迄今所见的 直接探测线索相背,盖茨克尔提醒说:“我们绝对不能说绝对不能。理论家是非常有创造性的 。”

哪怕先前所有的 WIMP迹象都是错的 ,我们还是要检验大量更多的 模型,给出的 概率最低在LUX相互作用灵敏度之下1000倍。盖茨克尔不顾一切地说:“我们还是会继续搜索一阵子WIMP。它们仍然是最受钟爱的 猎物。” 

失落的 伽玛射线

直接探测像躲避瘟疫般躲避普通物质的 狡猾粒子只能算得上是困难。一些科学家选择了更加间接的 手法。标准WIMP模型认为,这些粒子是它们自身的 反粒子,因此如果WIMP粒子在深空中遭遇同类,它们就会释放出一阵伽玛射线,其能量相当于单个粒子的 质量。

NASA的 费米伽玛射线空间望远镜在搜寻着天空,寻找湮灭的 踪迹,其关注的 焦点是银河系 附近的 矮星 系 。天文学家认为,这些星 系 中暗物质数量要比普通物质更多,湮灭过程会让它们成为像样的 伽玛射线源。但是费米-LAT合作小组最近向《物理学评论D》杂志提交了一篇研究论文,指出在25个邻近矮星 系 中没有发现明显的 伽玛射线辐射。

图片提供:NASA

与LUX不同,费米的 观测并不与CDMS-II以及其他实验给出的 线索相背,至少现在如此。这是由于我们并不清楚WIMP粒子彼此相撞的 概率以及WIMP粒子与普通粒子相撞的 概率之间的 关系 。但是随着费米望远镜继续采集伽玛射线观测数据,情况会有所转变。如果暗物质确实由WIMP组成,小组预期很快就会看到信号了。

(全文完)

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