迄今最大暗物質試驗蓄勢待發 將創造歷史

　　將創造歷史或終結超對稱暗物質理論

　　XENON1T地下試驗對暗物質超級敏感。圖片來源：Xenon collaboration

　　近日，全球最敏感的暗物質探測器在義大利中部大薩索山地下開始運行。暗物質是一種神秘物質，被認為佔據了宇宙中85%的質量。如果這項名為XENON1T的試驗發現了暗物質，它將被載入史書。與此同時，很多理論家認為，如果一無所獲，將對排除這種難以捉摸物質的熱門候選者——超對稱所預言的一種弱相互作用重粒子（WIMP）大有幫助。超對稱是對粒子物理標準模型的擴展。

　　位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室——歐洲核子研究委員會（CERN）大型強子對撞機（LHC）也正在尋找超對稱WIMP。坐落在大薩索國家實驗室的XENON1T由義大利國家核物理研究所（INFN）運行，並有望在2016年3月底開始收集數據。

　　雖然暗物質既不發光，也不吸收光線，但對恆星和星系的引力影響為它的存在提供了強有力的間接證據。為直接尋找暗物質，科學家試圖測量當暗物質「光暈」中的粒子——被認為覆蓋了銀河系——同地球上普通物質的原子相互作用時所發出的微小能量。不過，這種互動極其微弱，20多年的搜尋尚未發現令人信服的證據。

　　為了有所發現，XENON合作組的125位科學家將監控3.5噸的液體氙。這一數量級超越了在美國南達科他州霍姆斯特克礦進行的當下全球一流暗物質探測器——大型地下氙（LUX）試驗。

　　關於XENON1T的敏感性何時超過LUX目前還存在一些爭議。哥倫比亞大學物理學家、XENON1T女發言人Elena Aprile表示，這將在運行的一周後發生。相反，LUX共同發言人、來自布朗大學的Richard Gaitskell給出的數字是差不多兩個月。

　　不管怎樣，在啟動後的幾周內，新探測器原則上能隨時探測到暗物質。不過，它探測不到的時間越長，對WIMP和正常物質相互作用所需力量要求的限制將越低。

　　LUX已經排除了若干其他試驗探測到的低質量WIMP試探性信號。其中兩項試驗——同樣位於大薩索的CRESST和位於明尼蘇達州蘇丹礦井的CoGeNT——也證實，它們的信號是由背景過程引起的。Xenon1T出眾的敏感性將使科學家得以排除超對稱WIMP可能擁有的很多剩餘範圍的相互作用力。

　　英國倫敦國王學院粒子理論家Jonathan Davis對於XENON1T將對LHC探測到的任何超對稱WIMP進行獨立測試感到興奮。不過，參與CoGeNT試驗的芝加哥大學物理學家Juan Collar認為，如果兩項試驗均一無所獲，「找到對繼續尋找超對稱WIMP感興趣的試驗者將愈發困難」。

　　他同時表示，這對於更加普遍的超對稱來說也將是壞消息。「負面結果和來自LHC的相同結果結合在一起，對於這些理論而言是一種近乎死亡的打擊。」

　　不過，伊利諾州巴達維亞費米實驗室粒子理論學家Dan Hooper沒有這麼斷然作出結論。他認為，要排除超對稱WIMP或證實暗物質存在，將需要來自XENON1T和一些規劃好的更加敏感試驗的10年左右的數據。

　　然而，物理學家均認為XENON1T將無法做到的事情是排除一項正在持續發展的斷言——17年前，大薩索DAMA協作組宣布發現了暗物質。該團隊堅稱，在其碘化鈉探測器中觀察到的信號季節性波動，只能通過地球圍繞太陽旋轉時相對於暗物質光暈的速度上的微小變化來解釋。

　　儘管其他物理學家懷疑DAMA探測器是否真的發現了暗物質，但Davis表示，理論學家提出了暗物質粒子同碘化鈉發生的相互作用要比同氙強很多的模型。同樣地，只有另一台利用碘化鈉的探測器能真正破解DAMA謎團。

　　一個名為COSINE的協作組正計劃這樣做。協作組成員、來自耶魯大學的Walter Pettus介紹說，它將利用兩台碘化鈉探測器——分別位於韓國和西班牙。希望COSINE到2018年夏天能收集到足以排除DAMA斷言的數據，或者觀測到相同特徵的年度循環。Pettus表示，如果後者發生了，COSINE將在季節相反的南半球重複這一操作。如果該信號真的是暗物質，那麼年調製效應不應當發生變化。（宗華）

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