暗物質模型遭受迎頭兩擊

原文標題：Two Blows for Popular Dark Matter Model

作者：Monica Young 原文來自：SkyandTelescope.com Posted: 2013. 10. 30

編譯：Melipal 審校：Linq （編譯版權所有，未經許可請勿轉載）

新近的 兩項實驗為潛伏在宇宙中難以捉摸又不可見的 物質最被看好的 物理模型提出了限制。

這兩周對於WIMP來說是壞日子。

弱相互作用大質量粒子（WIMP）是暗物質最佳候選對象之一，暗物質是佔據宇宙中物質總量84%的 不可見成分。但是旨在探尋此類難以捉摸的 粒子的 兩項新實驗都一無所得，讓先前有希望的 結果變得十分可疑。　

WIMP-y的 暗物質線索

根據定義可知，暗物質並不與光線發生作用，因此它不僅是暗的 ，而且還是透明的 。雖然我們知道它會與引力發生作用，這種作用只會給出暗物質存在的 間接證據，如影響星 系 的 自轉。

但是WIMP理論認為，暗物質粒子同樣也會與弱力發生作用。弱力是決定亞原子層次本性的 基本作用力。因此WIMP粒子可能會很偶然地撞入重核中，留下一個可以探測的 信號。直接撞擊的 概率非常非常低，不過用致冷矽片、鍺片或氙元素堆積而成的 地下探測器最有可能取得成功。

大型地下氙元素探測器（LUX）是一個6層的 鈦罐，其中灌有1/3噸液態氙。如果WIMP與氙核發生了作用，它們會發出微弱的 閃光，可以被探測器頂部和底部安裝的 光電倍增管陣列探測到。但是到現在為止，LUX沒有看到任何類似WIMP的 事件。（圖片提供：Matthew Kapust；圖片版權：South Dakota Science and Technology Authority）

幾架探測器宣稱看到了WIMP相互作用的 跡象（但並沒有實際探測到，否則就可以直飛斯德哥爾摩了）。其中的 一些，如CDMS-II、CRESST以及CoGeNT看到了WIMP與質量在10 GeV附近的 粒子發生作用的 可能信號，這樣的 信號已經足夠重要，可以對外公布了，但是在統計上還不是那麼的 顯著，不算是真正的 探測。另一架探測器也就是DAMA/LIBRA看到過一次更強的 信號，不過並非所有人都相信它是來自WIMP的 。

但是並非所有的 實驗都看到了暗物質的 正信號。XENON-100探測器由於沒有看到任何WIMP的 相互作用，已經對先前的 結果提出了一些質疑。但是物理學家並不是不能在理論上解釋這樣的 結果。舉例來說，一些人認為，WIMP與CDMS-II中硅原子的 相互作用方式可能與XENON-100中的 氙原子不盡相同。　

零結果

現在一項名為LUX（大型地下氙元素探測器即Large Underground Xenon的 縮寫）可能堵死了這條路。布朗大型的 理查德·蓋茨克爾（Richard Gaitskell）與耶魯大學的 丹·麥肯錫（Dan McKinsey）30日宣布了LUX最初運轉85天的 結果。新的 探測器比XENON-100要靈敏20倍。研究者指出，假設CDMS-II的 探測結果是真實的 ，那麼LUX充斥著液態氙的 6英尺高鈦罐應該會與大約1550個WIMP粒子發生作用。

而實際上是0個。

蓋茨克爾說：「看起來（CDMS-II與LUX）是不相容的 。」這次認為WIMP粒子與不同元素相互作用的 方式不同也不管用了。「LUX的 結果直接與DAMA、GoGeNT以及CRESST相衝突。」

（下圖說明了一切——讓人吃驚的 是，圖中的 藍線是LUX給出的 上限，它位於先前的 實驗所有探測結果之下，這些結果以彩色斑塊表示。）

旨在尋找WIMP粒子的 直接探測實驗結果，圖中X軸表示粒子質量，Y軸表示其與普通物質發生相互作用的 概率。除紫線外所有的 結果都標註以實驗名稱，紫線是ZEPLIN-III實驗的 結果。板塊表示某實驗看到WIMP相互作用跡象的 區域，而線條表示沒有探測到WIMP的 實驗給出的 上限。LUX實驗是最新的 一個，藍線表示LUX數據給出的 上限，它排除了其上方所有的 參數空間。大圖請點擊（圖片提供：Jeremy Chapman）

費米國家加速器實驗室的 暗物質專家丹·胡珀（Dan Hooper）並沒有參與LUX的 研究，他同意LUX的 結論：「對於我來說，考慮LUX的 新結果，公平地說CoGeNT與CDMS數據中的 暗物質相互作用看起來是不太可能的 。」

他又補充道：「如果我說我只是有一點點失望，那我就是在撒謊。」

如果LUX的 結果排除了所有先前的 探測，那麼其他探測器看到的 都是什麼東西？蓋茨克爾說，對於CDMS-II、CoGeNT以及CRESST給出的 勉強結論來說，很難相信這些邊緣數據。「我認為不走運的 是，我們看到的 是一系 列局部的 結論和實驗，他們給出的 報告就處在探測能力的 極限上。」

但是DAMA的 結果無論如何都算不上是邊緣——相反，幾乎無法將其結論解釋為統計上的 偶然事件。蓋茨克爾解釋道：「毫無疑問的 是，DAMA測量到了一些東西。這裡的 挑戰就是確定它是否起源於天體物理過程，或者說它只是更平凡的 人類起源，要麼乾脆只是地球上的 事件導致的 。」

雖然LUX看起來與迄今所見的 直接探測線索相背，蓋茨克爾提醒說：「我們絕對不能說絕對不能。理論家是非常有創造性的 。」

哪怕先前所有的 WIMP跡象都是錯的 ，我們還是要檢驗大量更多的 模型，給出的 概率最低在LUX相互作用靈敏度之下1000倍。蓋茨克爾不顧一切地說：「我們還是會繼續搜索一陣子WIMP。它們仍然是最受鍾愛的 獵物。」　

失落的 伽瑪射線

直接探測像躲避瘟疫般躲避普通物質的 狡猾粒子只能算得上是困難。一些科學家選擇了更加間接的 手法。標準WIMP模型認為，這些粒子是它們自身的 反粒子，因此如果WIMP粒子在深空中遭遇同類，它們就會釋放出一陣伽瑪射線，其能量相當於單個粒子的 質量。

NASA的 費米伽瑪射線空間望遠鏡在搜尋著天空，尋找湮滅的 蹤跡，其關注的 焦點是銀河系 附近的 矮星 系 。天文學家認為，這些星 系 中暗物質數量要比普通物質更多，湮滅過程會讓它們成為像樣的 伽瑪射線源。但是費米-LAT合作小組最近向《物理學評論D》雜誌提交了一篇研究論文，指出在25個鄰近矮星 系 中沒有發現明顯的 伽瑪射線輻射。

圖片提供：NASA

與LUX不同，費米的 觀測並不與CDMS-II以及其他實驗給出的 線索相背，至少現在如此。這是由於我們並不清楚WIMP粒子彼此相撞的 概率以及WIMP粒子與普通粒子相撞的 概率之間的 關係 。但是隨著費米望遠鏡繼續採集伽瑪射線觀測數據，情況會有所轉變。如果暗物質確實由WIMP組成，小組預期很快就會看到信號了。

（全文完）