暗物質搜尋到了生死關頭

世界最大的大質量弱相互作用粒子探測器即將開張，但到底能否找到假想中的暗物質粒子，人們信心不足。

作者 Adrian Cho

翻譯 曹則賢*

2016年3月，在義大利亞平寧山最高峰巨岩峰（Gran Sasso d』Italia）之下1.4公里深處的洞穴實驗室內，物理學家開始向一個圓柱形罐子注入液氙——一種密度約為水密度三倍的冷物質。此一高寬皆約一米的罐子將成為一噸氙探測器（XENON1T）的核心，該探測器是目前用於搜尋大質量弱相互作用粒子(WIMP)的最大探測器。

WIMP 是設想中的構成神秘暗物質的粒子。暗物質充滿我們的星系並通過引力將之緊緊聚攏在一起。但是，此時儘管XENON1T探測器超越了物理學家過去30年中搜尋WIMP（所遇到）的關鍵尺寸閾值，研究者們卻開始懷疑起WIMP這個概念了。

芝加哥大學的理論物理學家Rocky Kolb把WIMP探索比作一場橄欖球賽，他說：「已到了生死存亡關頭。比賽已進行到了下半場，或許是到了最後1/4時段，可我們還沒得分。」哥倫比亞大學實驗物理學家、XENON 團隊的負責人 Elena Aprile 則宣稱新探測器確實大有機會發現WIMP，「WIMP也許就在不遠的拐彎處」。但是，她又補充道，「我們不敢肯定是否1噸還是10噸的氙才夠用，在這個意義上說我們也許正在失去信心。」

其他的暗物質研究者表達了與她同樣的關切。幾年前，在最大的WIMP探測器還只是幾公斤重的時候，大多數人認為（使用）一噸氙的實驗要麼能發現 WIMP，要麼會對這個想法來個了斷。但是一代一代越來越大的探測器都了無結果，而物理學家們在重新思考指向 WIMP粒子存在的那些說辭以及如何才能發現WIMP。幾個更大的探測器正在建造中，同時研究者們還在規劃終極WIMP探測器。可是，哪怕是最急切的暗物質獵手也不確定是否值得建造巨型探測器。

用於搜尋源自WIMP與氙原子核碰撞之光閃爍的一簇光探測器。

WIMP的概念可回溯到上世紀80年代初期。1983年在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的粒子物理實驗室發現了傳遞所謂弱相互作用的粒子：飛逝的W-玻色子和Z-玻色子。那時候理論物理學家認識到，如果玻色子具有相似質量（幾百倍的質子質量）的不帶電荷的表兄弟，則足夠多的此類重而冷漠的粒子將在宇宙大爆炸後四處漂泊，構成其引力足以把星系和別的宇宙大尺度結構聚攏在一起的不可見的質量。WIMP的概念誕生了。

受 「WIMP奇蹟」的啟發，理論家們認識到超對稱的概念也預言WIMP的存在。超對稱性設想每一種已知粒子都有一個質量更大但具有不同自旋的夥伴。在多種超對稱版本中，最輕的超夥伴是穩定的、中性的，且如同 WIMP那樣只參與弱相互作用。此一（同超對稱理論的）聯繫使得 WIMP成了暗物質的兩個最可能候選者之一（另一個是軸子，源自強作用的一種假想粒子。參見Science, 1November 2013, p. 552）。

物理學家設想了三種WIMP 探測方式(參見Science, 6 July 2007, p. 32)。首先，他們希望在 WIMP 撞入如XENON1T那樣的置於地下從而免於其它常規射線干擾的超靈敏探測器中的原子核時，直接鎖定它們。第二，他們希望在世界最大的原子粉碎者，即CERN的大型強子對撞機（LHC），上直接產生 WIMP 和其它超對稱粒子。第三，他們希望發現傳說中的我們星系中心的WIMP在互相碰撞和湮滅過程中所發出的輻射。超對稱理論預言存在這些過程。

論及起地下探測器，那是越大越好，因為越是龐大的實驗（裝置）越是能提供更多讓WIMP去撞擊的原子核。在整個世界範圍內，十幾支隊伍在各種類型的探測器上正工作著。當前的最高靈敏度屬於在美國南達科他州桑福德地下探測裝置的大型地下氙（LUX）探測器，其中裝有370公斤的液氙。2014年，LUX越過了盛有62公斤液氙的第二代XENON探測器。實際上會注入3.5噸液氙的XENON1T探測器將成為排頭兵，當它今年春開始記錄數據的時候，預期會比LUX靈敏一百倍。

但是物理學家們對其前景感到很焦慮。他們的主要關切是，LHC經過6年運行沒有發現關於超對稱的任何證據，那可是WIMP模型的基礎呀。也許還不算為時已晚，因為直到去年LHC只是在半能量（指標）上運行。然而，如芝加哥大學物理學家Juan Collar所言： 「明顯的事實是，LHC的產出中沒有任何關於超對稱的跡象。」

為了給他們的賭局護盤，暗物質研究者們在忙著建造更大的探測器。XENON1T的設計使其可以在兩年內被擴展為XENONnT，其將能盛裝7.5噸的液氙。 LUX上的研究者正在建造被稱為LZ的探測器，其能裝入10噸的液氙，將於2019年投入使用。

物理學家斷言，追逐更大的WIMP探測器的競賽不能無休止地進行下去。比XENON1T靈敏100倍的探測器將會遭受來自中微子的干擾。來自太陽或者其它源頭的中微子會在探測器中造成引起混亂的類WIMP信號。觸及中微子（所造成的信號）背底標誌著路的盡頭。

搜捕 WIMP 之路的終結

當探測器靈敏度逐漸增高到能探測來自中微子的干擾時，對WIMP的跟蹤搜尋就將可能終結。這些探測器已經排除了超對稱性WIMP的若干範圍。

歐洲的物理學家們早已在計劃推進至此一極限。瑞士蘇黎世大學的實驗物理學家、XENON團隊成員Laura Bandis在領導一個DARWIN計劃，DARWIN是一個將安放在巨岩峰地下的、盛有50噸液氙的探測器，造價可能高達六千萬美元。 Bandis說她的團隊希望2020年能開始建造。

其它的物理學家團隊卻不是那麼熱心。來自印第安納州普渡大學的XENON成員Rafael Lang說：「[XENON1t]之後的事情是仔細檢查，確信沒有漏過任何角落。」芝加哥大學的Collar則說：「我不知道有多少人會對此有興趣。我知道我肯定是不會的。」

但是Bandis 強調DARWIN 將也會開展中微子物理的關鍵實驗。她說 「我不會將之只用於填補WIMP (探測器)的空隙。」該探測器也可以用於探測假想的無中微子雙β衰變，此一核衰變過程將證明中微子是其自身的反粒子。它還可以獲得高精度的太陽中微子譜。

與此同時，一些實驗家認為是探索其它暗物質候選者的時候了。 Collar正在建造一個小的探測器，擬用於探測更屬推測性的大質量強相互作用粒子。強相互作用粒子與普通物質之間的作用太強，因而無法到達地下探測器。但是，許多其它建議的暗物質候選粒子缺少WIMP奇蹟那樣的與已知物理的聯繫。Aprile坦言，很難知道要構造哪類實驗， 「想法太多了」。如果WIMP 不及早現身，暗物質搜尋者們也許不知道接下來該去找什麼了。

* 譯者為中國科學院物理研究所研究員。

原文為Crunch time for dark matter hunt—Little confidence that biggest WIMP detector ever will find hypothesized particles, Science 351,1376-1377(2016)

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