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暗物质粒子出现了?

时间: 2020年06月22日 | 作者: 吴非 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
意大利格兰萨索国家实验室的研究人员宣布,他们在XENON1T暗物质探测器中发现了异常信号,这个信号可能来自人们苦苦寻觅的暗物质粒子——轴子。


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图片来源:XENON合作组


一项关于暗物质搜寻的新进展在各大科学网站刷屏。意大利格兰萨索国家实验室的研究人员宣布,他们在XENON1T暗物质探测器中发现了异常信号,这个信号可能来自人们苦苦寻觅的暗物质粒子——轴子。不过研究人员也表示,这些信号也可能存在其他解释,并且目前的置信度距离宣称“新发现”还有相当的距离。


撰文 | 吴非


暗物质无疑是宇宙中最为神秘的一类物质。在研究星系团及星系运动时,天文学家注意到,仅靠已知物质的引力,无法约束它们的结构。这让他们意识到,在我们所熟知的物质形式之外,宇宙中一定还藏匿着我们看不见的奇特物质,而这些可能属于宇宙大爆炸产物的物质,就被称作“暗物质”。它们不参与电磁作用,不与光子直接反应,因此无法被我们直接观测到。


我们知道,暗物质占据了宇宙中85%的物质、四分之一的总质量,它们的存在让星系得以形成,并在运动过程中保持稳定。但是,暗物质粒子究竟是什么?对于这个关乎宇宙组成的根本性问题,科学界至今没有明确的答案。


地下1400米的实验室


目前,存在多个暗物质粒子候选者。其中最为盛行的理论是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。在这个理论中,暗物质是一类可以参与弱相互作用,静止质量超过1GeV的大质量粒子。WIMP理论受物理学家欢迎的一个重要原因是,它可以很好地解释观测到的暗物质密度。


为了搜寻这类粒子,各国物理学家已经做了不少尝试。例如,中国的“悟空”号暗物质卫星,正是在超过10GeV的能段上寻找异常的伽马射线信号——这样的信号,可能来自WIMP之间的碰撞。除了太空中的探测器,寻找暗物质粒子的另一条思路,是在地下深处建造探测装置。数百乃至上千米厚的岩层可以隔绝绝大多数宇宙线的干扰,尽可能避免噪音对实验的影响,而暗物质粒子却能顺利通过。


在意大利格兰萨索地下1400米深处,就藏着当今最灵敏的地下暗物质探测器——XENON1T。


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格兰萨索国家实验室外景(图片来源:wikipedia)


Xenon是化学元素中的氙(Xe),而XENON系列实验使用的,正是性质颇为“懒惰”的液态氙。作为XENON实验的第三代探测器,XENON1T装了3.2吨液态氙。如果WIMP进入装置,将有可能与氙原子发生弹性碰撞,使得氙具有动能。这时,动起来的氙原子撞上其他物质、释放电子,就可以发出闪光。因此,通过监测装置中特定的闪光,可以推测与氙原子发生碰撞的粒子。


XENON实验于2006年启动,经历了两次设备升级。但在十余年的搜寻过程中,XENON团队期望中的信号一直没有出现。与此同时,全球范围内其他搜寻实验也没有取得实质性进展。虽然不足以给WIMP理论宣判死刑,但这些结果意味着,WIMP可能存在的能量区间正在不断缩小。


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实验过程示意图(图片来源:UX-ZEPLIN (LZ) COLLABORATION / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY)


面对一轮轮实验的无功而返,XENON团队在继续开展更灵敏的WIMP搜寻实验的同时,也有了新的考虑。或许,找不到暗物质粒子的真正原因在于,搜寻的目标错了。于是,他们利用XENON1T探测器开展了寻找另一种暗物质候选粒子——轴子——的实验。


从WIMP到轴子


“轴子”这一概念于上世纪70年代被提出,最初的目的是解决强相互作用中的CP(电荷-宇称)不对称性问题。80年代中期,理论研究发现,宇宙大爆炸能产生足以构成暗物质的轴子。从此,轴子也成为暗物质的有力候选粒子。


相比于WIMP,轴子的质量要低得多,只有1μeV~1meV。因此,适用于WIMP的探测手段,显然不能直接照搬到轴子身上。由于轴子太轻了,它们撞上氙原子就如同蚍蜉撼大树,不会掀起任何波澜。不过,氙的电子却是很合适的撞击目标——轴子与电子可以发生弹性碰撞,赋予电子动能,继而产生可探测的闪光。


基于这一思路,2016-2018年间,研究团队在24keV的能段上收集装置中的闪光。在两年多的运行期间,他们共看见了285次闪光信号。不过,这些信号中的大多数都是可以解释的。建在地下深处的装置可以屏蔽地面以上的绝大多数干扰,但少量来自放射性铅、氪等同位素的背景噪音仍然可以进入装置中,与氙原子发生碰撞。好在,研究人员可以分辨出这些噪音信号。在285个信号中,有232个来自背景噪音。问题是,其余的53个信号,是由什么产生的?


XENON团队提出了3种可能的解释。


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XENON探测器内部(图片来源:ENRICO SACCHETTI/SCIENCE SOURCE)


新发现还是污染信号?


其中可能性最高,同时也是最令人兴奋的解释就是,这些信号来自暗物质粒子——轴子。不过,这些轴子并不是形成于宇宙大爆炸过程的“幽灵”,而是由太阳产生。虽然不能直接解释宇宙中缺失的质量,但这样的结论同样足够震撼:如果太阳轴子得到证实,这意味着源自大爆炸过程的轴子同样存在,这将是人类首次发现暗物质粒子。


那么,这个结论足够牢靠吗?在物理学中,只有在置信度达到5σ时,(换句话说,信号来自噪音的概率低于350万分之一时)才可以称得上是“发现”。而对于太阳轴子的解释,其置信度是3.5σ。也就是说,信号来自噪音,即随机涨落的概率是5000分之一——虽然看上去不错,但距离宣称“新发现”,还有相当的距离。


如果不是太阳轴子呢?XENON团队提出的第二种可能性同样令人激动:这些信号属于磁性更强的太阳中微子。一般情况下,太阳中微子不会在装置中产生信号。但如果中微子的磁性比此前预期的更强,就可以与观测信号相符了。如果是这样,那么他研究团队取得的将是标准模型之外的发现!相比之下,太阳中微子假说的置信度更低,为3.2σ,相当于信号有700分之一的可能性来自背景噪音。


在两者之外,还存在一种令人失望的可能性——信号不属于任何物理学的新发现,而只是放射性氚对装置的污染。高能宇宙线撞击装置周围的岩石时,会产生中子,而中子击碎氙原子核就会产生氚,进而衰变产生电子。在实验开始前,实验人员会尽可能避免这种污染,但微量的氚可能无法被完全清除。这一假说的置信度与太阳中微子假说相当,同样为3.2σ。由于XENON1T已经停止运行、准备升级开始下一阶段的实验,因此科学家已经无法再排查、追溯这种可能性了。


目前,研究人员无法证实,也不能排除其中任何一种可能性。不过,他们仍有机会从进一步的实验中找到线索。


如果信号来自太阳——无论是太阳轴子还是中微子,我们都应该能观测到信号的季节性变化。这是因为在不同季节,太阳与地球的相对位置会出现变化,仪器接收到的信号数量也应该出现波动。不过,这项实验的周期只有两年,再加上信号太弱,因此没有发现季节性波动的信号。但随着团队正在将探测器升级为更强大的XENONnt,并计划开始一项为期5年的观测实验,暗物质粒子的首份确切答卷,或许就将在这里诞生。


相关论文:

Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T

参考链接:

https://www.livescience.com/first-evidence-for-axions-xenon.html

https://www.sciencemag.org/news/2020/06/dark-matter-hunters-inconclusive-signal-grabs-headlines

https://www.quantamagazine.org/dark-matter-experiment-finds-unexplained-signal-20200617/