暗物質已被發現？科學家質疑dama實驗結果

4月18日消息，據國外媒體報道，暗物質是物理學家們推測的宇宙中存在的不可見粒子，其引力影響著周圍的一切。20年來，義大利一個稱之為dama的實驗一再堅持聲稱已經發現了一種可能來自暗物質的調製信號。但是從未參與實驗的研究人員也提出了嚴肅的論點，反對將暗物質作為信號的來源。

作為持續時間最長、規模最大的尋找暗物質粒子的實驗之一，dama聲稱觀察到了暗物質的存在。該實驗聲稱可以捕獲虛擬粒子與普通粒子之間發生相互作用的證據。但是，如果確實如其所說，可見和不可見世界之間的這些差異特徵產生了dama的實驗數據，那麼現在進行的其他幾個實驗也應該能夠檢測到暗物質。但目前還沒有。

上個月晚些時候，dama實驗領導者、羅馬Tor Vergata大學的麗塔·貝爾納貝伊(Rita Bernabei)介紹了近六年的實驗結果。她報告說，dama實驗所獲得的信號看起來和以前一樣強大。但是從未參與實驗的研究人員也提出了嚴肅的論點，反對將暗物質作為信號的來源。

Dama實驗所尋找的暗物質稱為弱互相影響大量粒子wimp。實驗中，科學家對放置在亞平寧山脈格蘭薩索山深處的一系列碘化鈉晶體進行監測，尋找可能由暗物質粒子與晶體衷的原子核碰撞產生的輻射閃爍。當太陽系在銀河系中運行時，「看起來弱互相影響大量粒子就會像一陣風一樣迎面撲來，」密歇根大學的物理學家凱瑟琳·弗里斯（Katherine Freese）解釋說，其於1986年基於這個想法提出了實驗，「就像當你開車時，雨水會打在擋風玻璃上一樣。」

與這個假說完全一致的是， dama實驗的科學家們發現晶體中原子核的活動在一年中的不同時間短各不相同。這一信號總是在六月達到高峰，那時地球正以最快的速度穿過黑暗的、充滿塵埃的星系；而在十二月份的時候，當地球進入公轉軌道的近日點，和整個太陽系圍繞銀河系的運動方向正好相反，相對於暗物質的速度也就會慢下來。

最新的實驗稱為dama / libra-phase 2，開始於2011年。在獲取了六個地球軌道的數據之後，研究小組報告說他們繼續發現了一致的季節性信號。正如貝爾納貝伊指出的那樣，「年度調製信號和接收程序確保了對大量可能存在的暗物質候選物的敏感。」

外部專家另有看法。在4月4日發表在物理預印網站ArXiv.org上的一篇論文中，三位物理學家表示，標準wimp暗物質無法產生新的dama信號。 「每個人都想要的標準wimp暗物質已經消失了，」弗里斯如是指出。她與自己的學生塞巴斯蒂安·鮑姆（Sebastian Baum）和北佛羅里達大學的克里斯·凱爾索（Chris Kelso）合著了這篇新論文。

弗里斯和她的同事專註於dama數據的一項新特性。作為dama / libra-phase 2升級的一部分，格蘭薩索山的研究團隊更換了硬體，使其探測器對碘化鈉晶體內的低能量激發更加敏感。 貝爾納貝伊報告說，在較低能量激發的原子核反衝裝置中發生的年調製信號與高能反衝信號大致相似。

但如果標準wimp暗物質真的是年調製信號的來源，那麼低能量反衝應該相對於高能反衝而有所改變，弗里斯及其論文合著者寫道。他們發現，6月至12月原子核活動的變化幅度要大得多。也就是說，相比於高能狀態，低能狀態的下信號幅度要取決於暗物質粒子是輕還是重。如果wimp粒子較輕，那麼在低能狀態下，其與較輕的鈉原子發生碰撞的頻率要遠高於較重的碘原子。總體來說，由於其所需能量是最低的，因此dama實驗所獲的信號應該是最強的。或者從另一方面說，較重的wimp粒子幾乎只會與低能狀態的碘原子相互作用，很少與鈉原子發生作用。在這種情況下，dama在低能狀態下獲得的信號會變弱。

倫敦國王學院理論物理學家喬納森·戴維斯（Jonathan Davis）說，「相反，在dama / libra階段2的數據中都沒有看到這種變化，這很難用暗物質來解釋。」

弗里斯們則在論文中指出，在旋轉存在的情況下，wimp仍然會產生觀察到的年度調製：這種暗物質粒子對質子的偏好遠大於中子，這導致其更多地與鈉相互作用，而不是碘（其中有更多的中子）。然而，幾位物理學家表示，這種特殊的「異旋破壞」性質可能會影響其他暗物質實驗的結果，如XENON1T，這也是位於格蘭薩索山之下的液體氙氣探測器，重達3.2噸，但沒有發現類似效果。

而XENON1T等暗物質探測器的沉默，已經讓很多專家對於dama實驗失去希望。這些在不同類型材料中尋找核活動的實驗已經公布了一系列無效結果，排除了大量與dama實驗信號相關的wimp粒子。

然而，此前也有人認為暗物質可能對碘化鈉具有不明原因的親和力。但4月4日的分析改變了這一點。 「他們在這篇論文中所表現的很好的一點是......你可以用它來排除dama，而不是其他實驗，」蘇黎世大學物理學家和XENON1T實驗合作成員勞拉博迪（Laura Baudis）說。

儘管使用暗物質來解釋dama實驗信號很困難，但用其他任何方式理解它同樣困難。幾十年來，專家們一直在思索其他更為世俗的解釋。芝加哥大學物理學家、領導CoGeNT暗物質實驗的胡安·卡勒（Juan Collar）指出：「很多解釋提出後被推翻。目前我個人還無法拿出一個合理的解釋。」

戴維斯在2014年的《物理評論快報》中認為，年度調製都來自於七月份暗物質粒子對地球的強烈轟擊地球，以及一月份太陽中微子的峰值效應。但其他物理學家很快發現，後者的季節性效應太小，至少不像他所認為的那樣產生信號。加州大學伯克利分校物理學家丹尼爾·麥肯錫（Daniel McKinsey）在一篇引起轟動的新論文中認為，dama實驗產生的信號可能來自氬氣污染。某些氬放射性同位素的衰減或多或少地有季節因素。然而，這種解釋只有在dama在實驗過程中使用含有未知氬氣的情況下才起作用。

許多研究人員表示，貝爾納貝伊和dama團隊缺乏透明度，導致對事實理解的減緩。例如，弗里斯和她的合作者分析的一個局限性是，dama並沒有公布關於背景效應是否會在更低能量上放大還是縮小的信息，讓外部研究人員認為這些效應已經得到了修正。

「我確信，如果他們完全向業界開放信息，」比如共享他們的數據，「我們將會了解到導致年度調製的根本原因，」戴維斯說。但是，dama科學家只提交了他們最終確定的數據圖，並強烈認為他們發現的信號是暗物質的證據，並且對任何提出不同意見的人都採取「好鬥的方法」，他說。

其他組織的實驗也不得不繼續。在接下來的幾年裡，三個新的碘化鈉晶體實驗將開始產生成果：anais，COSINE-100以及sabre。特別是其中的sabre實驗，相關物質被分別放置於格蘭薩索山和澳大利亞的地下實驗室。通過在南北半球的夏季和冬季交替進行實驗，sabre將消除季節性影響。

「只要物理學仍然是一門實驗科學，提高知識水平的唯一途徑就是改進測試方法，」科勒說。補充實驗要麼不會看到調製，在這種情況下，「我們將不得不翻開新的一頁，找出dama的錯誤異常情況，」他說。或者他們會看到與之類似的東西，在這種情況下，「我們將不得不努力研究暗物質模型，這也解釋了其他探測器材料的零觀測結果。」

「經驗告訴我們，它很可能不是暗物質，」紐約大學理論物理學家尼爾·韋納（Neal Weiner）說，「但是我確信這是一件有趣的事情。」

弗里斯說，最終新的數據發布和她的團隊分析並不會改變大局。她說：「你仍然需要使用同樣的材料製作探測器，但是不同的人會在不同的地點做同樣的事情......來弄清楚到底發生了什麼，」她說，「因為沒有人理解dama實驗。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！