实验发现相互作用大质量粒子的线索

已经检测到三个暗物质的可能信号。

安德鲁·格兰特

2013年4月13日，物理学家报告称，位于地下深处、设计用于捕捉暗物质粒子的超冷晶体已经获取了三个可能的暗物质信号。

研究人员没有足够的证据表明已经发现了暗物质粒子。但这个发现可以作为这项旨在寻找宇宙中最难以捉摸的物质的、令人挫败的工作的稀有的线索。

“我们不认为这个探测结果已达到发现暗物质层面，”美国麻省理工学院的物理学家凯文·麦卡锡（Kevin McCarthy）在这个报告中说，“但它确实值得进一步调查。”

自20世纪30年代暗物质就一直困扰着科学家。因为在一个星系中，恒星、气体和尘埃并不能解释其所有的质量，因此天文学家认为，某种神秘的并不吸收或发出光的暗物质存在，它的质量至少是普通物质的5倍。因为天文学看不到暗物质，它的存在与否一直很难确定。

理论物理学家提出的一些可能构成暗物质粒子的想法，其中之一叫作大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMP）。他们的设想是，即使暗物质不经常与普通物质发生相互作用，但WIMP有时可能会与普通物质发生相互作用。

最新报告的实验是，当地球穿过银河系的暗物质海时，能够探测到WIMP的信号。深冷暗物质检测器是将硅和锗冷却到接近绝对零度时所形成的晶体网络。探测器位于在明尼苏达州的苏当地下实验室，它位于以前的铁矿地表下700多米处。

如果大质量弱相互作用粒子（WIMP）存在，它将很有可能撞击硅或锗的原子核，并导致能量的释放，从而就能检测在晶体中的振动。这个实验需在地下几百米处进行，是为了防止其他粒子干扰，如防止质子和中子进入晶体并导致假的检测信号。

麦卡锡报告称，在2007年7月和2008年9月之间的两次实验中，11硅探测器捕捉到了三个信号，这与所预测的WIMP相互作用相符。如果这3个信号是由WIMP所引起的，麦卡锡估计暗物质粒子约为质子质量的10倍，这远低于许多理论估算值。2013年4月15日，这个实验结果也出现在发表于arXiv.org网站上的一篇论文中。

虽然这个地下装置为深冷晶体探测器提供足够的屏蔽，一些非WIMP粒子也有可能影响探测结果，如在晶体表面的电子。但低温暗物质搜索团队（CDMS）的研究人员认为这3个探测信号来自于非WIMP粒子是极不可能的。

然而，布朗大学的物理学家理查德·盖茨克尔警告说：“由于WIMP所释放的能量非常小，几乎接近于检测器的最小灵敏度，错误的检测是非常有可能的。”他还认为两个晶体所捕捉的信号更值得怀疑，可能是伪信号。

来自麻省理工学院（MIT）的低温暗物质搜索团队的物理学家埃内克塔利·菲格罗亚－费利西亚诺（Enectali Figueroa-Feliciano）也和盖茨克尔一样对这个新实验数据持谨慎态度。在2009年，CDMS团队也报告称锗检测器捕捉到了两个可能WIMP的信号，当随后的分析确定他们是来自表面电子的伪信号。

菲格罗亚－费利西亚诺（Figueroa-Feliciano）说他将更愿意相信如果检测器捕捉到10～12个WIMP信号，而不仅仅是3个信号。即使如此，一个最终确定的检测将需要世界范围内多个实验，来证明得出相同的暗物质粒子的特性。

世界各地的许多其他实验都处于类似的状况。一个被称为DAMA（暗物质）的意大利团队称他们已经实验检测到暗物质，但是许多科学家对此持怀疑态度。其他实验都声称发现暗物质信号，类似于最新的CDMS计算信号，但是他们并没有明确表示观察到WIMP。

“我兴奋至极，但却无能为力，”安阿伯大学的理论天体物理学家凯瑟琳·弗里兹说，“多次实验看到相同质量的暗物质是非常令人兴奋的。”

困难的是，各个实验机构都使用不同的检测技术，并有各自的实验方案，以消除背景干扰来区分WIMP，这导致比较各个实验结果会相当困难。

至于CDMS，发现这三个可能信号的硅探测器将不再收集数据。研究人员最近用超灵敏锗探测器升级了实验设备（Soudan，明尼苏达）。在接下来的几年里，这些锗探测器将搬到一个更深的位于安大略省萨德伯里的新地下实验室，其在地表下约2千米。 ltKjsLsmVo9B0eyjser0DsqAzLxqyM9ck+4GwuYCCA2yHuEaWZukVlp9vTFnhqY/