世界上最灵敏的实验，仍然没有发现暗物质

图源：Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

撰文 | Takeko

大量的天文观测表明，宇宙中除了可以看见的恒星、气体和星系之外，还存在着大量看不见的物质。这些看不见的物质被称为暗物质，占宇宙总质量的85%左右。然而，迄今为止，没有人知道暗物质的本质究竟是什么。

科学家提出了许多可能的候选理论来解释有关暗物质的观测结果，从未知粒子到微型黑洞，甚至是对现有引力理论的修正。但到目前为止，还没有哪种理论被证明是正确的。

LUX-ZEPLIN（简称LZ）是世界上最大、最灵敏的暗物质探测器，它的目标是寻找一种假想的暗物质粒子——弱相互作用大质量粒子（WIMP）。几天前，LZ实验团队宣布，他们并没有发现弱相互作用大质量粒子的踪迹，但对它们与普通物质的相互作用设定了迄今为止最严格的限制。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

探测WIMP

最主流的理论之一认为，暗物质是由所谓的WIMP构成的。这些相对较重的粒子可能会造成观测到的引力效应，而且在极罕见的情况下，它还会与普通物质发生相互作用。

科学家认为，这些粒子源源不断地穿过地球。在大多数情况下，它们不会与任何物质发生相互作用，就那样悄无声息地穿过地球。但偶尔，也可能会有一个WIMP能撞上原子核，产生可观测的反应。这些碰撞正是科学家试图借助实验发现的。

简单来说，LZ实验中有一个巨大的双层罐，里面装满了液态氙。假如有一个暗物质粒子撞上了氙核，就会发出微弱的闪光。在探测器中，有494个光传感器就是用来探测这些闪光的。通过收集相互作用中的光和电子，LZ实验就能捕捉潜在的WIMP信号和其他相关数据。

LZ光电倍增管阵列，用于检测液氙探测器内出现的粒子相互作用信号。（图/Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility）

当然，实际的困难在于，暗物质粒子并不是唯一能产生这种闪光的东西。周围环境，甚至罐和探测器所用的材料，都可能会产生本底辐射。

为此，研究人员必须尽可能地降低这些干扰。比如，实验设置在美国南达科他州地下约1500米的一处废弃金矿中。在地下深处，探测器可以屏蔽来自太空的宇宙射线。而为了降低来自常见物体的自然辐射，仪器专门由数千个超洁净、低辐射的部件建造而成。探测器的构造就像一个洋葱，每一层都能阻挡外界辐射。

LZ实验的中心探测器。这是它在运往地下之前放置于地上实验室的无尘室中。（图/Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility）

此外，复杂的新分析技术也能帮助提高准确性。在新研究中，LZ实验首次应用了“加盐”技术，也就是在数据收集过程中加入一些伪WIMP信号。通过先伪装真实数据，直到最后再“取消加盐”，就能避免一些无意识的偏见，获得更客观准确的分析。

研究分析了2023年3月到2024年4月期间收集的一组220天的新数据，以及LZ实验首次运行的60天数据。

最新的结果没有发现质量超过9GeV/c2的WIMP的踪迹。（GeV/c2是粒子物理学中一种常用的质量单位，作个对比，质子的质量略低于1GeV/c2。）这表明WIMP与物质间的相互作用比过去认为的要弱。虽然没有显示出暗物质的迹象，但它帮助研究人员剔除了不符合数据的潜在WIMP暗物质模型，从而大幅度约束了WIMP。

进一步探索

LZ实验的最终计划是在2028年结束前收集1000天的数据。如果足够幸运，暗物质在实验范围内，也许有机会在新数据中发现暗物质，并且探索其他罕见的物理现象。

即使没有发现暗物质，这些结果和有关的分析技巧也能为下一代暗物质实验提供宝贵的指导。科学家已经开始规划下一代暗物质探测器XLZD（XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN），比现有的探测器还要大10倍，让科学家有机会在更大的空间里搜寻这些难以捉摸的粒子。

参考来源

[1] https://theconversation.com/85-of-the-matter-in-the-universe-is-missing-but-were-getting-closer-to-finding-it-237459

[2] https://newscenter.lbl.gov/2024/08/26/lz-experiment-sets-new-record-in-search-for-dark-matter/

本文经授权转载自微信公众号“原理”。

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