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暗物质搜索：科学家们正在看进错误的方向中吗？

2024-09-14 10:21阅读：

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暗物质搜索：科学家们正在看进错误的方向中吗？
一项最近的实验挑战领先的暗物质理论并暗示揭开宇宙的最大秘密之一的新方向。
HARD SCIENCE — SEPTEMBER 12, 2024
Don Lincoln

暗物质搜索：科学家们正在看进错误的方向中吗？

图为在地下交付之前在一个地面实验室洁净室中的大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域（Lux-Zeplin）中央探测器、时间投影室。Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
关键要点
•暗物质据信占宇宙质量的大部分，尽管50年的搜寻仍未被探测到。
•主要的候选者弱相互作用大质量粒子（
WIMP）在一个实验中已经没有被观测到，敦促关于暗物质研究方向中的问题。
•新的测量提示科学家可能需要来探索替代候选者如轴子来解决这个宇宙秘密。
暗物质被认为在宇宙中是最流行的物质形式，包含大约五倍多被在恒星和星系中发现的普通物质的质量。只有一个问题：尽管半个世纪的努力，但科学家们已经只发现了它的存在的间接证据。现在，一个来自一个超精确的新设施的测量正在暗示科学家可能一直在错误的方向中。
在宇宙中某些东西不是对的。星系太快移动和自旋太快不能被在宇宙中观测到的物质和接受的物理定律解释。对于这些好奇的观测最流行的解释是宇宙被一种大量的看不见和不可看见的物质渗透。这种物质暂时的叫暗物质，能引力上与普通形式的物质相互作用，但暗物质既不发光也不吸收光。
虽然已经提出了并拒绝了几种候选形式的暗物质，但自20世纪90年代末以来，科学界已经安顿在一种有利的叫弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质的候选上。如果弱相互作用大质量粒子是真的，共识是它们是稳定的亚原子粒子，电上中性的，有一个范围或许在100到100000 GeV之间的质量。（GeV是一个能量单位，通过爱因斯坦的方程E=mc^2被联系到质量。对上下文一个质子有一个约为1 GeV的质量）。
按照流行的理论，弱相互作用大质量粒子不能被看见，尽管它们确实施加引力。与聚合成恒星和行星的普通物质不同，弱相互作用大质量粒子暗物质被组织成围绕并渗透星系包括我们自己的银河系的广袤的“气体”云。如果这种云存在，在太阳系中一种暗物质气体能被发现，并形成一个恒定的穿过地球的“弱相互作用大质量粒子风”。依靠单个弱相互作用大质量粒子粒子的质量，如果你举起你的拳头，可能在该体积中有一个弱相互作用大质量粒子粒子。
尽管一系列越发灵敏的探测器，但科学家们已经没有成功寻找这种弱相互作用大质量粒子风。自20世纪80年代中期以来，探测器已经增加了它们的灵敏度100万倍。目前世界级的探测器之一被称为大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域（LUX-Zeplin，LZ）。它用10吨液氙，冷却至约-150°F（-100°C），位于一个约地下4850英尺（1478米）的废弃金矿中的桑福德地下研究设施（SURF）。
暗物质搜索：科学家们正在看进错误的方向中吗？
一个光电倍增管阵列，被设计来检测在大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域的液氙探测器内发生的粒子相互作用的信号。(Credit: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility)
这个深度屏蔽探测器免受一个来自太空的恒定的宇宙射线，宇宙射线能模拟暗物质信号。在探测器中心的核中10吨氙中只有7吨被用于后续分析，其中被在形成一个围绕内核的壳中的三吨液氙中看到的信号的事件被拒绝。这确保任何可能的弱相互作用大质量粒子检测都被很好测量。
大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域实验等待一个弱相互作用大质量粒子粒子来穿过探测器并击中一个氙原子。预测是来自哪个碰撞的碎片将穿过该装置并留下一个可检测的信号。在运行280天（预期为1000天）后，大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域科学家没有检测到弱相互作用大质量粒子穿过他们的探测器。他们最近在TeVPA和LIDINE会议上报告了他们的结果。一篇科学论文正在准备中，不过某些谨慎被保证因为公布的结果还没有被同行评审。（早期发布测量值对像LZ这样的大型实验是常见的，同行评审显著改变它最初报告的测量值是非常罕见的）。
由大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域宣布的测量结果反映一个在弱相互作用大质量粒子质量范围和被排除的相互作用概率中的五倍改进。虽然弱相互作用大质量粒子的存在仍然是一种可能性，但目前的测量结果使它们的存在更不太可能。仍然有一个大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域不能来排除的质量范围。他们报告的分析没有考虑质量低于9 GeV的弱相互作用大质量粒子。
鉴于被大多数弱相互作用大质量粒子理论有利的质量范围（100-100000 GeV），如果原来是暗物质是如此轻，暗物质毕竟不是弱相互作用大质量粒子是可能的。大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域正在继续分析它的数据。他们避开9 GeV以下的质量的事实不是因为他们没有下到那里的数据；相反，低质量分析是非常困难的并且将需要在任何结果是可利用之前更小心的。
 未来，更大的液氙实验将能够做出更灵敏的测量，然而，有一个关于多少弱相互作用大质量粒子实验能被改进的帽顶。你看，地球正在恒定的被叫中微子的粒子淋浴。这些中微子既来自太阳中的核反应又来自太空的宇宙射线。效果上，地球在一个中微子雾中存在。
不幸的是，在弱相互作用大质量粒子探测器中的中微子相互作用看起来很像暗物质相互作用一样，因此当暗物质实验足够灵敏到来探测到这种中微子雾时，来探测暗物质相互作用将变得不可能的。这将像在一个摇滚音乐会上试图来听一个耳语一样。
一个灵敏度比大地下氙及液体惰性气体中闪烁比例区域更高10倍的探测器将能够来探测中微子雾。开发有这种水平的探测器将可能需要10到15年的时间。一旦取得，传统的弱相互作用大质量粒子搜索将不再是可能的。
这是否意味着我们正在接近暗物质搜索道路的终点呢？毕竟不是。毕竟，星系的未预料到的运动需要一个解释。暗物质可能是某种形式的不是弱相互作用大质量粒子的物质。真的，一些科学家正在将他们的注意力转向一种远更轻的叫轴子的暗物质候选者。与弱相互作用大质量粒子一样，轴子还没有被检测到，但轴子检测需要比弱相互作用大质量粒子粒子非常不同的技术。对暗物质的搜寻将继续。
https://bigthink.com/hard-science/dark-matter-search-are-scientists-looking-in-the-wrong-direction/

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