世界最大的大質(zhì)量弱相互作用粒子探測器即將開(kāi)張，但到底能否找到假想中的暗物質(zhì)粒子，人們信心不足。
作者 Adrian Cho
翻譯 曹則賢*
2016年3月，在意大利亞平寧山最高峰巨巖峰（Gran Sasso d’Italia）之下1.4公里深處的洞穴實(shí)驗室內，物理學(xué)家開(kāi)始向一個(gè)圓柱形罐子注入液氙——一種密度約為水密度三倍的冷物質(zhì)。此一高寬皆約一米的罐子將成為一噸氙探測器（XENON1T）的核心，該探測器是目前用于搜尋大質(zhì)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(zhì)的粒子。暗物質(zhì)充滿(mǎn)我們的星系并通過(guò)引力將之緊緊聚攏在一起。但是，此時(shí)盡管XENON1T探測器超越了物理學(xué)家過(guò)去30年中搜尋WIMP（所遇到）的關(guān)鍵尺寸閾值，研究者們卻開(kāi)始懷疑起WIMP這個(gè)概念了。
芝加哥大學(xué)的理論物理學(xué)家Rocky Kolb把WIMP探索比作一場(chǎng)橄欖球賽，他說(shuō)：“已到了生死存亡關(guān)頭。比賽已進(jìn)行到了下半場(chǎng)，或許是到了最后1/4時(shí)段，可我們還沒(méi)得分?！备鐐惐葋喆髮W(xué)實(shí)驗物理學(xué)家、XENON 團隊的負責人 Elena Aprile 則宣稱(chēng)新探測器確實(shí)大有機會(huì )發(fā)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(gè)意義上說(shuō)我們也許正在失去信心?！?/p>
其他的暗物質(zhì)研究者表達了與她同樣的關(guān)切。幾年前，在最大的WIMP探測器還只是幾公斤重的時(shí)候，大多數人認為（使用）一噸氙的實(shí)驗要么能發(fā)現 WIMP，要么會(huì )對這個(gè)想法來(lái)個(gè)了斷。但是一代一代越來(lái)越大的探測器都了無(wú)結果，而物理學(xué)家們在重新思考指向 WIMP粒子存在的那些說(shuō)辭以及如何才能發(fā)現WIMP。幾個(gè)更大的探測器正在建造中，同時(shí)研究者們還在規劃終極WIMP探測器?？墒?，哪怕是最急切的暗物質(zhì)獵手也不確定是否值得建造巨型探測器。
用于搜尋源自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(shí)驗室發(fā)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(shí)候理論物理學(xué)家認識到，如果玻色子具有相似質(zhì)量（幾百倍的質(zhì)子質(zhì)量）的不帶電荷的表兄弟，則足夠多的此類(lèi)重而冷漠的粒子將在宇宙大爆炸后四處漂泊，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(jiàn)的質(zhì)量。WIMP的概念誕生了。
受 “WIMP奇跡”的啟發(fā)，理論家們認識到超對稱(chēng)的概念也預言WIMP的存在。超對稱(chēng)性設想每一種已知粒子都有一個(gè)質(zhì)量更大但具有不同自旋的伙伴。在多種超對稱(chēng)版本中，最輕的超伙伴是穩定的、中性的，且如同 WIMP那樣只參與弱相互作用。此一（同超對稱(chēng)理論的）聯(lián)系使得 WIMP成了暗物質(zhì)的兩個(gè)最可能候選者之一（另一個(gè)是軸子，源自強作用的一種假想粒子。參見(jiàn)Science, 1November 2013, p. 552）。
物理學(xué)家設想了三種WIMP 探測方式(參見(jiàn)Science, 6 July 2007, p. 32)。首先，他們希望在 WIMP 撞入如XENON1T那樣的置于地下從而免于其它常規射線(xiàn)干擾的超靈敏探測器中的原子核時(shí)，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(chǎn)生 WIMP 和其它超對稱(chēng)粒子。第三，他們希望發(fā)現傳說(shuō)中的我們星系中心的WIMP在互相碰撞和湮滅過(guò)程中所發(fā)出的輻射。超對稱(chēng)理論預言存在這些過(guò)程。
論及起地下探測器，那是越大越好，因為越是龐大的實(shí)驗（裝置）越是能提供更多讓W(xué)IMP去撞擊的原子核。在整個(gè)世界范圍內，十幾支隊伍在各種類(lèi)型的探測器上正工作著(zhù)。當前的最高靈敏度屬于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(guò)了盛有62公斤液氙的第二代XENON探測器。實(shí)際上會(huì )注入3.5噸液氙的XENON1T探測器將成為排頭兵，當它今年春開(kāi)始記錄數據的時(shí)候，預期會(huì )比LUX靈敏一百倍。
但是物理學(xué)家們對其前景感到很焦慮。他們的主要關(guān)切是，LHC經(jīng)過(guò)6年運行沒(méi)有發(fā)現關(guān)于超對稱(chēng)的任何證據，那可是WIMP模型的基礎呀。也許還不算為時(shí)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(xué)物理學(xué)家Juan Collar所言： “明顯的事實(shí)是，LHC的產(chǎn)出中沒(méi)有任何關(guān)于超對稱(chēng)的跡象?！?/p>
為了給他們的賭局護盤(pán)，暗物質(zhì)研究者們在忙著(zhù)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(chēng)為L(cháng)Z的探測器，其能裝入10噸的液氙，將于2019年投入使用。
物理學(xué)家斷言，追逐更大的WIMP探測器的競賽不能無(wú)休止地進(jìn)行下去。比XENON1T靈敏100倍的探測器將會(huì )遭受來(lái)自中微子的干擾。來(lái)自太陽(yáng)或者其它源頭的中微子會(huì )在探測器中造成引起混亂的類(lèi)WIMP信號。觸及中微子（所造成的信號）背底標志著(zhù)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(lái)自中微子的干擾時(shí)，對WIMP的跟蹤搜尋就將可能終結。這些探測器已經(jīng)排除了超對稱(chēng)性WIMP的若干范圍。
歐洲的物理學(xué)家們早已在計劃推進(jìn)至此一極限。瑞士蘇黎世大學(xué)的實(shí)驗物理學(xué)家、XENON團隊成員Laura Bandis在領(lǐng)導一個(gè)DARWIN計劃，DARWIN是一個(gè)將安放在巨巖峰地下的、盛有50噸液氙的探測器，造價(jià)可能高達六千萬(wàn)美元。 Bandis說(shuō)她的團隊希望2020年能開(kāi)始建造。
其它的物理學(xué)家團隊卻不是那么熱心。來(lái)自印第安納州普渡大學(xué)的XENON成員Rafael Lang說(shuō)：“[XENON1t]之后的事情是仔細檢查，確信沒(méi)有漏過(guò)任何角落?！敝ゼ痈绱髮W(xué)的Collar則說(shuō)：“我不知道有多少人會(huì )對此有興趣。我知道我肯定是不會(huì )的?！?/p>
但是Bandis 強調DARWIN 將也會(huì )開(kāi)展中微子物理的關(guān)鍵實(shí)驗。她說(shuō) “我不會(huì )將之只用于填補WIMP (探測器)的空隙?！痹撎綔y器也可以用于探測假想的無(wú)中微子雙β衰變，此一核衰變過(guò)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(yáng)中微子譜。
與此同時(shí)，一些實(shí)驗家認為是探索其它暗物質(zhì)候選者的時(shí)候了。 Collar正在建造一個(gè)小的探測器，擬用于探測更屬推測性的大質(zhì)量強相互作用粒子。強相互作用粒子與普通物質(zhì)之間的作用太強，因而無(wú)法到達地下探測器。但是，許多其它建議的暗物質(zhì)候選粒子缺少WIMP奇跡那樣的與已知物理的聯(lián)系。Aprile坦言，很難知道要構造哪類(lèi)實(shí)驗， “想法太多了”。如果WIMP 不及早現身，暗物質(zhì)搜尋者們也許不知道接下來(lái)該去找什么了。
* 譯者為中國科學(xué)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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