作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/4/14 8:59:29
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暗物质面临终极考验
未来3年多个团队将展开相关试验确认存在与否

DAMA团队利用放在铜中的碘化钠寻找暗物质。图片来源:LNGS-INFN

对于暗物质研究来说,这是一个为人们所忌讳的麻烦:声称探测到暗物质,却很难被相信;无法确认,要解释清楚也极其不易。如今,将利用同一类型探测器的4台设备正在筹备中或等待上线。物理学家表示,3年内,这些试验将能确认暗物质的存在,或者将这一说法彻底排除。

“这将得以解决。”主导其中一项努力的美国普林斯顿大学研究人员Frank Calaprice说。

最初声称探测到暗物质的是DAMA协作组,其探测器坐落在意大利罗马东部大萨索山地下深处的一个实验室里。十几年来,它报告了暗物质存在的大量证据。将要上线的首台新探测器位于韩国,准备几周后开始收集数据。未来几年内,其他探测器将在西班牙、澳大利亚和大萨索山相继上线。所有4台设备都将利用碘化钠晶体探测暗物质。

科学家拥有表明暗物质存在或者比普通物质至少丰富5倍的大量证据。不过,暗物质的本性仍是个谜。主流的假设是,至少暗物质的一些质量是由大质量弱相互作用粒子(WIMP)构成的。而在地球上,WIMP应该偶尔会撞上原子核。

如果这在探测器中发生了,DAMA的碘化钠晶体会产生一道闪过的光。同时,尽管天然放射性也会产生此类闪光,但DAMA在1998年首次声称探测到WIMP,是基于每天产生的闪光数随季节发生变化的事实。

他们认为,如果信号由太阳系穿过银河系暗物质光晕时洒向地球的WIMP产生,这正是科学家们所期望的。在这种情形下,穿过地球的粒子数应当在6月初地球的轨道运行同太阳呈一条线时达到顶峰,并在12月初地球的运行同太阳相背离时达到最低。

这里面有一个很大的问题。“如果它真的是暗物质,很多其他试验应当已经发现了它。”德国卡尔斯鲁厄理工学院理论物理学家Thomas Schwetz-Mangold表示,但迄今为止并没有。不过,与此同时,所有从DAMA试验中寻找弱点,比如研究人员未将环境影响考虑在内的尝试均以失败告终。“调制信号就在那里。”来自加州大学圣地亚哥分校的Kaixuan Ni表示。Ni致力于一项被称为XENON1T的暗物质试验。“不过,如何诠释这一信号——它来自暗物质还是其他物质,仍无法确定。”

其他全尺寸试验均未在探测器中利用碘化钠,尽管韩国隐形物质搜寻(KIMS)项目利用了碘化铯。因此,暗物质以一种不同的方式同钠发生相互作用的可能性是存在的。如今,3个暗物质探索团队——KIMS、耶鲁大学的DM-Ice和西班牙萨拉戈萨大学的ANAIS,均获得了拥有约为DAMA本底放射性水平两倍的晶体。他们认为,这样的纯度足以检测其结果。

KIMS和DM-Ice团队已在首尔以东160公里处襄阳地下实验室合建了一台碘化钠探测器。管理KIMS的韩国大田地下物理学中心主任Yeongduk Kim介绍说,这台设备利用了一个使其将暗物质信号同噪音更好分离的传感器。

ANAIS正在西班牙比利牛斯山脉坎夫兰克地下实验室建造类似的探测器。加起来,KIMS/DM-Ice和ANAIS将拥有约200公斤碘化钠,并且会把数据共享。这和DAMA的250公斤相差无几,从而使它们得以捕捉类似数量的WIMP。领导DM-Ice的耶鲁大学研究人员Reina Maruyama表示,尽管较新的探测器将拥有更高水平的背景噪音,但证明DAMA信号是假的或者再现这些信号应当还是可能的。

不过,Calaprice认为,高纯度比质量更重要。他和合作者开发出一种降低污染的技术,并在今年1月宣称首次获得了纯度高于DAMA所用碘化钠的晶体。他希望将本底水平进一步减少至DAMA的十分之一。

SABRE项目将在大萨索山和正在澳大利亚维多利亚一座金矿中建造的斯塔威地下物理学实验室各放置一台探测器。它还会利用一台传感器将暗物质信号从噪音中抽取出来,而且总重量达到50公斤。

Calaprice介绍说,SABRE应当会在1年左右的时间里完成研究和开发阶段,并将在此后不久建造其探测器。随后,它会让其他实验室也获取到此项技术,而这是DAMA没有做到的事情。在南北半球拥有“双胞胎”探测器或许能阐明环境影响是否仿造了DAMA结果中出现的暗物质季节性——如果信号来自WIMP,那么两台探测器应当能同时看到峰值。

DAMA发言人、来自罗马第二大学的Rita Bernabei则表示,DAMA将至少到2017年才会发布其最新结果。她对于即将建成的碘化钠探测器并不抱希望。“我们的结果已在14个年度循环中进行了无数次反复核对,因此我们没有理由对其他人可能获得的结果感到兴奋。”她同时表示,如果其他试验未发现年度调制信号,她的协作组将会认为,它们并未拥有足够的敏感度。(宗华)

《中国科学报》 (2016-04-14 第3版 国际)
 
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