尋找第4種中微子 暗物質理論進入關鍵時期

經歷了數十年搜尋和多次失望之後，暗物質理論迎來關鍵時刻。科學家認為，這種神秘物質占宇宙物質總和的85%。

在經歷了重大升級之後，歐洲核子研究委員會（CERN）的大型強子對撞機（LHC）預計今年3月重新啟動。它被廣泛認為是近期能夠產生和確定一種名為大質量弱相互作用粒子（WIMP）理論中的粒子的最後機會。另外，一個超高靈敏度的「直接探測」實驗——設計捕捉來自天空的自然生成的WIMP流，也將於今年啟動。

但到目前為止，無論LHC還是「直接探測」實驗，都未能發現WIMP。這些失敗表明，暗物質是由其他東西組成的。美國加州大學歐文分校研究粒子宇宙的理論學家Kevork Abazajian表示，之前就被認為是冷門候選者的一系列替代選擇，現在看起來「沒那麼奇異了」。

無論暗物質是什麼，大多數天文學家相信它確實存在。全部普通、「可見」的物質無法產生足夠重力，解釋星系內部恆星速度以及星系在星系團里的運動。而暗物質將揭開謎團，因為它不會吸收和散射光，而科學家只能通過它對普通物質的萬有引力得知其存在。但不同理論提出了哪種相關粒子具有這些特性的不同假設。

WIMP則是理論學家的心愛之物。它們相對較重——約在1吉電子伏特（大約為1個質子質量）到1兆兆電子伏特之間，因此也相對較慢或「冷」。這些特性非常切合當下宇宙演化的最好模型，冷暗物質光環是星系和星系團形成的原動力。WIMP還解決了物理學的兩個獨立分支（粒子物理學和宇宙學）的問題。WIMP的質量及其與其他粒子相互作用的強度將有助於解釋為何希格斯玻色子擁有質量。但這些數字還意味著，WIMP可能是在宇宙早期以恰好合適的速率被合成的，這也被稱為「WIMP奇蹟」。

儘管位於物理學家急需的清單上，WIMP仍然保持著神秘。2013年，LHC關停維護，其WIMP搜尋計劃落空。而且南達科他州桑福德地下研究設施大型地下氙（LUX）探測器實驗最敏感的「直接探測」實驗，在2013年進行的首次主要運轉中也未能發現WIMP。

今年，WIMP或將現身。已提高效率的LHC將結合13兆兆電子伏特的能量撞碎質子，其此前運行的最高能量為8兆兆電子伏特。這樣一來，額外的能量將產生之前無法產生的粒子。無獨有偶，今年夏天，一個名為XENON1T實驗的WIMP探測器——位於義大利中部格蘭薩索地下，也計劃啟動。XENON1T項目發言人、美國哥倫比亞大學粒子物理學家Rafael Lang表示，該設備的敏感度將比LUX大50倍。

但美國伊利諾伊州費米國家加速器實驗室宇宙學家Scott Dodelson提到，一連串令人失望的失敗意味著一些理論學家已經開始從WIMP領域撤退，並開始尋找替代方案。

其中一個可能的「候選者」是中微子。這種粒子能與其他種類的物質產生弱相互作用，這正是暗物質的特性之一。三種目前已知的中微子特性與暗物質並不完全相符。但假設的第四種中微子可能是合格的「候選者」。這種中微子名為「惰性」中微子，因為與其他類型中微子相比，它產生的相互作用更加微弱。

2014年12月，歐洲空間局的普朗克衛星繪製了來自早期宇宙的古老輻射圖，但排除了擁有與其他中微子一樣小質量的惰性中微子的存在。另外，中國大亞灣中微子實驗也得出了相同的結論。

但回溯到2014年2月，美國馬薩諸塞州哈佛-史密斯天體物理學中心天體物理學家Esra Bülbül及其同事報告了一種來源於73星系團的神秘光子信號。這種光子的波長與惰性中微子的衰變相一致，約為7千電子伏特，比普通中微子重約3萬倍。

他們的結論發表於arXiv資料庫中，提出了暗物質可能由這種信號產生的一系列建議機制。與WIMP相比，超重中微子仍將很輕。根據傳統理論，這種性質將讓它們「溫暖」，但卻與宇宙進化模型不能很好地統一。

不過，Abazajian表示，早期宇宙將產生冷重中微子，而這些粒子將與目前最好的星系形成模型相匹配，在某些情況下甚至優於WIMP。「WIMP奇蹟擁有理論上的精密。」Abazajian說。但他還補充道，一個重中微子能解決與WIMP同樣的問題。

Dodelson則表示，重中微子證據「將帶來一場革命」。但到目前為止，許多研究小組都在試圖重複Bülbül得出的結論，並已取得各種成功。

另一個WIMP的替代選擇是軸子，上世紀70年代，科學家提出了該粒子相關假設。在一個磁場中，軸子能自發地變成光子，這提供了探測到它們的方法。儘管許多實驗以失敗告終，但以華盛頓大學Leslie Rosenberg為首的物理學家正在升級軸子暗物質實驗的敏感性。該研究團隊表示，這將有望揭開軸子的神秘面紗。

但Rosenberg並沒有放棄WIMP。「仍然對WIMP暗物質神經過敏。」他說，但「在你變得過度緊張之前，LHC將獲得的2015年數據還需要探索」。

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