暗物质粒子出现了？
圖片來源：XENON合作組
昨日，一項關于暗物質搜尋的新進展在各大科學網(wǎng)站刷屏。意大利格蘭薩索國家實驗室的研究人員宣布，他們在XENON1T暗物質探測器中發(fā)現(xiàn)了異常信號，這個信號可能來自人們苦苦尋覓的暗物質粒子——軸子。不過研究人員也表示，這些信號也可能存在其他解釋，并且目前的置信度距離宣稱“新發(fā)現(xiàn)”還有相當?shù)木嚯x。
暗物質無疑是宇宙中最為神秘的一類物質。在研究星系團及星系運動時，天文學家注意到，僅靠已知物質的引力，無法約束它們的結構。這讓他們意識到，在我們所熟知的物質形式之外，宇宙中一定還藏匿著我們看不見的奇特物質，而這些可能屬于宇宙大爆炸產(chǎn)物的物質，就被稱作“暗物質”。它們不參與電磁作用，不與光子直接反應，因此無法被我們直接觀測到。
我們知道，暗物質占據(jù)了宇宙中85%的物質、四分之一的總質量，它們的存在讓星系得以形成，并在運動過程中保持穩(wěn)定。但是，暗物質粒子究竟是什么？對于這個關乎宇宙組成的根本性問題，科學界至今沒有明確的答案。
地下1400米的實驗室
目前，存在多個暗物質粒子候選者。其中最為盛行的理論是弱相互作用大質量粒子（WIMP）。在這個理論中，暗物質是一類可以參與弱相互作用，靜止質量超過1GeV的大質量粒子。WIMP理論受物理學家歡迎的一個重要原因是，它可以很好地解釋觀測到的暗物質密度。
為了搜尋這類粒子，各國物理學家已經(jīng)做了不少嘗試。例如，中國的“悟空”號暗物質衛(wèi)星，正是在超過10GeV的能段上尋找異常的伽馬射線信號——這樣的信號，可能來自WIMP之間的碰撞。除了太空中的探測器，尋找暗物質粒子的另一條思路，是在地下深處建造探測裝置。數(shù)百乃至上千米厚的巖層可以隔絕絕大多數(shù)宇宙線的干擾，盡可能避免噪音對實驗的影響，而暗物質粒子卻能順利通過。
在意大利格蘭薩索地下1400米深處，就藏著當今最靈敏的地下暗物質探測器——XENON1T。
格蘭薩索國家實驗室外景（圖片來源：wikipedia）
Xenon是化學元素中的氙（Xe），而XENON系列實驗使用的，正是性質頗為“懶惰”的液態(tài)氙。作為XENON實驗的第三代探測器，XENON1T裝了3.2噸液態(tài)氙。如果WIMP進入裝置，將有可能與氙原子發(fā)生彈性碰撞，使得氙具有動能。這時，動起來的氙原子撞上其他物質、釋放電子，就可以發(fā)出閃光。因此，通過監(jiān)測裝置中特定的閃光，可以推測與氙原子發(fā)生碰撞的粒子。
XENON實驗于2006年啟動，經(jīng)歷了兩次設備升級。但在十余年的搜尋過程中，XENON團隊期望中的信號一直沒有出現(xiàn)。與此同時，全球范圍內(nèi)其他搜尋實驗也沒有取得實質性進展。雖然不足以給WIMP理論宣判死刑，但這些結果意味著，WIMP可能存在的能量區(qū)間正在不斷縮小。
實驗過程示意圖（圖片來源：UX-ZEPLIN （LZ） COLLABORATION / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY）
面對一輪輪實驗的無功而返，XENON團隊在繼續(xù)開展更靈敏的WIMP搜尋實驗的同時，也有了新的考慮。或許，找不到暗物質粒子的真正原因在于，搜尋的目標錯了。于是，他們利用XENON1T探測器開展了尋找另一種暗物質候選粒子——軸子——的實驗。
從WIMP到軸子
“軸子”這一概念于上世紀70年代被提出，最初的目的是解決強相互作用中的CP（電荷-宇稱）不對稱性問題。80年代中期，理論研究發(fā)現(xiàn)，宇宙大爆炸能產(chǎn)生足以構成暗物質的軸子。從此，軸子也成為暗物質的有力候選粒子。
相比于WIMP，軸子的質量要低得多，只有1μeV~1meV。因此，適用于WIMP的探測手段，顯然不能直接照搬到軸子身上。由于軸子太輕了，它們撞上氙原子就如同蚍蜉撼大樹，不會掀起任何波瀾。不過，氙的電子卻是很合適的撞擊目標——軸子與電子可以發(fā)生彈性碰撞，賦予電子動能，繼而產(chǎn)生可探測的閃光。
基于這一思路，2016-2018年間，研究團隊在24keV的能段上收集裝置中的閃光。在兩年多的運行期間，他們共看見了285次閃光信號。不過，這些信號中的大多數(shù)都是可以解釋的。建在地下深處的裝置可以屏蔽地面以上的絕大多數(shù)干擾，但少量來自放射性鉛、氪等同位素的背景噪音仍然可以進入裝置中，與氙原子發(fā)生碰撞。好在，研究人員可以分辨出這些噪音信號。在285個信號中，有232個來自背景噪音。問題是，其余的53個信號，是由什么產(chǎn)生的？
XENON團隊提出了3種可能的解釋。
XENON探測器內(nèi)部（圖片來源：ENRICO SACCHETTI/SCIENCE SOURCE）
新發(fā)現(xiàn)還是污染信號？
其中可能性最高，同時也是最令人興奮的解釋就是，這些信號來自暗物質粒子——軸子。不過，這些軸子并不是形成于宇宙大爆炸過程的“幽靈”，而是由太陽產(chǎn)生。雖然不能直接解釋宇宙中缺失的質量，但這樣的結論同樣足夠震撼：如果太陽軸子得到證實，這意味著源自大爆炸過程的軸子同樣存在，這將是人類首次發(fā)現(xiàn)暗物質粒子。
那么，這個結論足夠牢靠嗎？在物理學中，只有在置信度達到5σ時，（換句話說，信號來自噪音的概率低于350萬分之一時）才可以稱得上是“發(fā)現(xiàn)”。而對于太陽軸子的解釋，其置信度是3.5σ。也就是說，信號來自噪音，即隨機漲落的概率是5000分之一——雖然看上去不錯，但距離宣稱“新發(fā)現(xiàn)”，還有相當?shù)木嚯x。
如果不是太陽軸子呢？XENON團隊提出的第二種可能性同樣令人激動：這些信號屬于磁性更強的太陽中微子。一般情況下，太陽中微子不會在裝置中產(chǎn)生信號。但如果中微子的磁性比此前預期的更強，就可以與觀測信號相符了。如果是這樣，那么他研究團隊取得的將是標準模型之外的發(fā)現(xiàn)！相比之下，太陽中微子假說的置信度更低，為3.2σ，相當于信號有700分之一的可能性來自背景噪音。
在兩者之外，還存在一種令人失望的可能性——信號不屬于任何物理學的新發(fā)現(xiàn)，而只是放射性氚對裝置的污染。高能宇宙線撞擊裝置周圍的巖石時，會產(chǎn)生中子，而中子擊碎氙原子核就會產(chǎn)生氚，進而衰變產(chǎn)生電子。在實驗開始前，實驗人員會盡可能避免這種污染，但微量的氚可能無法被完全清除。這一假說的置信度與太陽中微子假說相當，同樣為3.2σ。由于XENON1T已經(jīng)停止運行、準備升級開始下一階段的實驗，因此科學家已經(jīng)無法再排查、追溯這種可能性了。
目前，研究人員無法證實，也不能排除其中任何一種可能性。不過，他們?nèi)杂袡C會從進一步的實驗中找到線索。
如果信號來自太陽——無論是太陽軸子還是中微子，我們都應該能觀測到信號的季節(jié)性變化。這是因為在不同季節(jié)，太陽與地球的相對位置會出現(xiàn)變化，儀器接收到的信號數(shù)量也應該出現(xiàn)波動。不過，這項實驗的周期只有兩年，再加上信號太弱，因此沒有發(fā)現(xiàn)季節(jié)性波動的信號。但隨著團隊正在將探測器升級為更強大的XENONnt，并計劃開始一項為期5年的觀測實驗，暗物質粒子的首份確切答卷，或許就將在這里誕生。
總結
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