暗物質面臨終極考驗

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DAMA團隊利用放在銅中的碘化鈉尋找暗物質。圖片來源：LNGS-INFN

對於暗物質研究來說，這是一個為人們所忌諱的麻煩：聲稱探測到暗物質，卻很難被相信；無法確認，要解釋清楚也極其不易。如今，將利用同一類型探測器的4台設備正在籌備中或等待上線。物理學家表示，3年內，這些試驗將能確認暗物質的存在，或者將這一說法徹底排除。

「這將得以解決。」主導其中一項努力的美國普林斯頓大學研究人員Frank Calaprice說。

最初聲稱探測到暗物質的是DAMA協作組，其探測器坐落在義大利羅馬東部大薩索山地下深處的一個實驗室里。十幾年來，它報告了暗物質存在的大量證據。將要上線的首台新探測器位於韓國，準備幾周後開始收集數據。未來幾年內，其他探測器將在西班牙、澳大利亞和大薩索山相繼上線。所有4台設備都將利用碘化鈉晶體探測暗物質。

科學家擁有表明暗物質存在或者比普通物質至少豐富5倍的大量證據。不過，暗物質的本性仍是個謎。主流的假設是，至少暗物質的一些質量是由大質量弱相互作用粒子（WIMP）構成的。而在地球上，WIMP應該偶爾會撞上原子核。

如果這在探測器中發生了，DAMA的碘化鈉晶體會產生一道閃過的光。同時，儘管天然放射性也會產生此類閃光，但DAMA在1998年首次聲稱探測到WIMP，是基於每天產生的閃光數隨季節發生變化的事實。

他們認為，如果信號由太陽系穿過銀河系暗物質光暈時灑向地球的WIMP產生，這正是科學家們所期望的。在這種情形下，穿過地球的粒子數應當在6月初地球的軌道運行同太陽呈一條線時達到頂峰，並在12月初地球的運行同太陽相背離時達到最低。

這裡面有一個很大的問題。「如果它真的是暗物質，很多其他試驗應當已經發現了它。」德國卡爾斯魯厄理工學院理論物理學家Thomas Schwetz-Mangold表示，但迄今為止並沒有。不過，與此同時，所有從DAMA試驗中尋找弱點，比如研究人員未將環境影響考慮在內的嘗試均以失敗告終。「調製信號就在那裡。」來自加州大學聖地亞哥分校的Kaixuan Ni表示。Ni致力於一項被稱為XENON1T的暗物質試驗。「不過，如何詮釋這一信號——它來自暗物質還是其他物質，仍無法確定。」

其他全尺寸試驗均未在探測器中利用碘化鈉，儘管韓國隱形物質搜尋（KIMS）項目利用了碘化銫。因此，暗物質以一種不同的方式同鈉發生相互作用的可能性是存在的。如今，3個暗物質探索團隊——KIMS、耶魯大學的DM-Ice和西班牙薩拉戈薩大學的ANAIS，均獲得了擁有約為DAMA本底放射性水平兩倍的晶體。他們認為，這樣的純度足以檢測其結果。

KIMS和DM-Ice團隊已在首爾以東160公里處襄陽地下實驗室合建了一台碘化鈉探測器。管理KIMS的韓國大田地下物理學中心主任Yeongduk Kim介紹說，這台設備利用了一個使其將暗物質信號同噪音更好分離的感測器。

ANAIS正在西班牙比利牛斯山脈坎夫蘭克地下實驗室建造類似的探測器。加起來，KIMS/DM-Ice和ANAIS將擁有約200公斤碘化鈉，並且會把數據共享。這和DAMA的250公斤相差無幾，從而使它們得以捕捉類似數量的WIMP。領導DM-Ice的耶魯大學研究人員Reina Maruyama表示，儘管較新的探測器將擁有更高水平的背景噪音，但證明DAMA信號是假的或者再現這些信號應當還是可能的。

不過，Calaprice認為，高純度比質量更重要。他和合作者開發出一種降低污染的技術，並在今年1月宣稱首次獲得了純度高於DAMA所用碘化鈉的晶體。他希望將本底水平進一步減少至DAMA的十分之一。

SABRE項目將在大薩索山和正在澳大利亞維多利亞一座金礦中建造的斯塔威地下物理學實驗室各放置一台探測器。它還會利用一台感測器將暗物質信號從噪音中抽取出來，而且總重量達到50公斤。

Calaprice介紹說，SABRE應當會在1年左右的時間裡完成研究和開發階段，並將在此後不久建造其探測器。隨後，它會讓其他實驗室也獲取到此項技術，而這是DAMA沒有做到的事情。在南北半球擁有「雙胞胎」探測器或許能闡明環境影響是否仿造了DAMA結果中出現的暗物質季節性——如果信號來自WIMP，那麼兩台探測器應當能同時看到峰值。

DAMA發言人、來自羅馬第二大學的Rita Bernabei則表示，DAMA將至少到2017年才會發布其最新結果。她對於即將建成的碘化鈉探測器並不抱希望。「我們的結果已在14個年度循環中進行了無數次反覆核對，因此我們沒有理由對其他人可能獲得的結果感到興奮。」她同時表示，如果其他試驗未發現年度調製信號，她的協作組將會認為，它們並未擁有足夠的敏感度。（宗華）

《中國科學報》 (2016-04-14 第3版 國際)

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