世界上最靈敏的實驗，仍然沒有發現暗物質_風聞
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撰文 | Takeko
大量的天文觀測表明，宇宙中除了可以看見的恆星、氣體和星系之外，還存在着大量看不見的物質。這些看不見的物質被稱為暗物質，佔宇宙總質量的85%左右。然而，迄今為止，沒有人知道暗物質的本質究竟是什麼。
科學家提出了許多可能的候選理論來解釋有關暗物質的觀測結果，從未知粒子到微型黑洞，甚至是對現有引力理論的修正。但到目前為止，還沒有哪種理論被證明是正確的。
LUX-ZEPLIN（簡稱LZ）是世界上最大、最靈敏的暗物質探測器，它的目標是尋找一種假想的暗物質粒子——弱相互作用大質量粒子（WIMP）。幾天前，LZ實驗團隊宣佈，他們並沒有發現弱相互作用大質量粒子的蹤跡，但對它們與普通物質的相互作用設定了迄今為止最嚴格的限制。
探測WIMP
最主流的理論之一認為，暗物質是由所謂的WIMP構成的。這些相對較重的粒子可能會造成觀測到的引力效應，而且在極罕見的情況下，它還會與普通物質發生相互作用。
科學家認為，這些粒子源源不斷地穿過地球。在大多數情況下，它們不會與任何物質發生相互作用，就那樣悄無聲息地穿過地球。但偶爾，也可能會有一個WIMP能撞上原子核，產生可觀測的反應。這些碰撞正是科學家試圖藉助實驗發現的。
簡單來説，LZ實驗中有一個巨大的雙層罐，裏面裝滿了液態氙。假如有一個暗物質粒子撞上了氙核，就會發出微弱的閃光。在探測器中，有494個光傳感器就是用來探測這些閃光的。通過收集相互作用中的光和電子，LZ實驗就能捕捉潛在的WIMP信號和其他相關數據。
當然，實際的困難在於，暗物質粒子並不是唯一能產生這種閃光的東西。周圍環境，甚至罐和探測器所用的材料，都可能會產生本底輻射。
為此，研究人員必須儘可能地降低這些干擾。比如，實驗設置在美國南達科他州地下約1500米的一處廢棄金礦中。在地下深處，探測器可以屏蔽來自太空的宇宙射線。而為了降低來自常見物體的自然輻射，儀器專門由數千個超潔淨、低輻射的部件建造而成。探測器的構造就像一個洋葱，每一層都能阻擋外界輻射。
此外，複雜的新分析技術也能幫助提高準確性。在新研究中，LZ實驗首次應用了“加鹽”技術，也就是在數據收集過程中加入一些偽WIMP信號。通過先偽裝真實數據，直到最後再“取消加鹽”，就能避免一些無意識的偏見，獲得更客觀準確的分析。
研究分析了2023年3月到2024年4月期間收集的一組220天的新數據，以及LZ實驗首次運行的60天數據。
最新的結果沒有發現質量超過9GeV/c2的WIMP的蹤跡。（GeV/c2是粒子物理學中一種常用的質量單位，作個對比，質子的質量略低於1GeV/c2。）這表明WIMP與物質間的相互作用比過去認為的要弱。雖然沒有顯示出暗物質的跡象，但它幫助研究人員剔除了不符合數據的潛在WIMP暗物質模型，從而大幅度約束了WIMP。
進一步探索
LZ實驗的最終計劃是在2028年結束前收集1000天的數據。如果足夠幸運，暗物質在實驗範圍內，也許有機會在新數據中發現暗物質，並且探索其他罕見的物理現象。
即使沒有發現暗物質，這些結果和有關的分析技巧也能為下一代暗物質實驗提供寶貴的指導。科學家已經開始規劃下一代暗物質探測器XLZD（XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN），比現有的探測器還要大10倍，讓科學家有機會在更大的空間裏搜尋這些難以捉摸的粒子。
參考來源
[1] https://theconversation.com/85-of-the-matter-in-the-universe-is-missing-but-were-getting-closer-to-finding-it-237459
[2] https://newscenter.lbl.gov/2024/08/26/lz-experiment-sets-new-record-in-search-for-dark-matter/
本文經授權轉載自微信公眾號“原理”。
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