迄今最大暗物质试验蓄势待发 或将创造历史

<p>　　[摘要]全球最敏感的暗物质探测器将在近日运行，它位于意大利中部大萨索山地下。这项名为XENON1T的实验，将创造历史或终结超对称暗物质理论。</p><p align="center"> </p><p>　　XENON1T地下试验对暗物质超级敏感。图片来源：Xenon collaboration</p><p>　　近日，全球最敏感的暗物质探测器在意大利中部大萨索山地下开始运行。暗物质是一种神秘物质，被认为占据了宇宙中85%的质量。如果这项名为XENON1T的试验发现了暗物质，它将被载入史书。与此同时，很多理论家认为，如果一无所获，将对排除这种难以捉摸物质的热门候选者——超对称所预言的一种弱相互作用重粒子（WIMP）大有帮助。超对称是对粒子物理标准模型的扩展。</p><p>　　位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室——欧洲核子研究委员会（CERN）大型强子对撞机（LHC）也正在寻找超对称WIMP。坐落在大萨索国家实验室的XENON1T由意大利国家核物理研究所（INFN）运行，并有望在2016年3月底开始收集数据。</p><p>　　虽然暗物质既不发光，也不吸收光线，但对恒星和星系的引力影响为它的存在提供了强有力的间接证据。为直接寻找暗物质，科学家试图测量当暗物质“光晕”中的粒子——被认为覆盖了银河系——同地球上普通物质的原子相互作用时所发出的微小能量。不过，这种互动极其微弱，20多年的搜寻尚未发现令人信服的证据。</p><p>　　为了有所发现，XENON合作组的125位科学家将监控3.5吨的液体氙。这一数量级超越了在美国南达科他州霍姆斯特克矿进行的当下全球一流暗物质探测器——大型地下氙（LUX）试验。</p><p>　　关于XENON1T的敏感性何时超过LUX目前还存在一些争议。哥伦比亚大学物理学家、XENON1T女发言人Elena Aprile表示，这将在运行的一周后发生。相反，LUX共同发言人、来自布朗大学的Richard Gaitskell给出的数字是差不多两个月。</p><p>　　不管怎样，在启动后的几周内，新探测器原则上能随时探测到暗物质。不过，它探测不到的时间越长，对WIMP和正常物质相互作用所需力量要求的限制将越低。</p><p>　　LUX已经排除了若干其他试验探测到的低质量WIMP试探性信号。其中两项试验——同样位于大萨索的CRESST和位于明尼苏达州苏丹矿井的CoGeNT——也证实，它们的信号是由背景过程引起的。Xenon1T出众的敏感性将使科学家得以排除超对称WIMP可能拥有的很多剩余范围的相互作用力。</p><p>　　英国伦敦国王学院粒子理论家Jonathan Davis对于XENON1T将对LHC探测到的任何超对称WIMP进行独立测试感到兴奋。不过，参与CoGeNT试验的芝加哥大学物理学家Juan Collar认为，如果两项试验均一无所获，“找到对继续寻找超对称WIMP感兴趣的试验者将愈发困难”。</p><p>　　他同时表示，这对于更加普遍的超对称来说也将是坏消息。“负面结果和来自LHC的相同结果结合在一起，对于这些理论而言是一种近乎死亡的打击。”</p><p>　　不过，伊利诺州巴达维亚费米实验室粒子理论学家Dan Hooper没有这么断然作出结论。他认为，要排除超对称WIMP或证实暗物质存在，将需要来自XENON1T和一些规划好的更加敏感试验的10年左右的数据。</p><p>　　然而，物理学家均认为XENON1T将无法做到的事情是排除一项正在持续发展的断言——17年前，大萨索DAMA协作组宣布发现了暗物质。该团队坚称，在其碘化钠探测器中观察到的信号季节性波动，只能通过地球围绕太阳旋转时相对于暗物质光晕的速度上的微小变化来解释。</p><p>　　尽管其他物理学家怀疑DAMA探测器是否真的发现了暗物质，但Davis表示，理论学家提出了暗物质粒子同碘化钠发生的相互作用要比同氙强很多的模型。同样地，只有另一台利用碘化钠的探测器能真正破解DAMA谜团。</p><p>　　一个名为COSINE的协作组正计划这样做。协作组成员、来自耶鲁大学的Walter Pettus介绍说，它将利用两台碘化钠探测器——分别位于韩国和西班牙。希望COSINE到2018年夏天能收集到足以排除DAMA断言的数据，或者观测到相同特征的年度循环。Pettus表示，如果后者发生了，COSINE将在季节相反的南半球重复这一操作。如果该信号真的是暗物质，那么年调制效应不应当发生变化。</p><br />