到底有沒有暗物質？地下實驗稱無法驗證相關結論

　　來源：中國科學報

　　20年前，在義大利地下的格蘭薩索國家實驗室進行暗物質（DAMA）實驗的物理學家宣布，他們發現了暗物質粒子。

　　這是一種神秘的物質，其引力可能將銀河系維繫在一起。但是，相關聲明一直備受爭議。

　　現在，第一個直接驗證DAMA聲明的實驗發布了第一批數據。

　　使用韓國COSINE-100探測器的物理學家說，他們沒有看到暗物質的跡象，但仍需要幾年時間才能真正判斷DAMA的結論。

　　「他們還不能排除DAMA信號。」未參與這兩個實驗的美國密歇根大學理論物理學家Katherine Freese說，「但令人興奮的是，他們或許能排除這種可能性。」抑或確認一下。

　　對宇宙的觀察表明，宇宙間必然存在一種看不見的未知類型的亞原子粒子，這種暗物質提供的質量對於解釋星系內恆星的運動以及物質在宇宙中如何聚集在一起不可或缺。

　　然而，科學家仍然不知道暗物質是什麼。幾十年來，實驗人員一直在尋找這些微粒，但大多數都沒有成功。

　　為了尋找暗物質，物理學家在地下深處部署了超靈敏的探測器，使其免受宇宙射線和其他背景輻射的干擾。

　　然而，自1998年以來，DAMA項目成員就宣稱看到了這樣一個信號。

　　該團隊的探測器由摻雜了鉈的碘化鈉晶體組成，當某種暗物質粒子撞擊晶體內部的原子核並使其飛起來時，這種晶體就會產生閃光。

　　正如Freese和他的同事在1986年預測的那樣，DAMA團隊已經看到了碰撞率的年變化，這可能是暗物質的一個強烈跡象。義大利研究人員曾報告，DAMA探測器中碰撞率的上升和下降遵循一個特定的年度模式，這是地球繞太陽運行時，地球穿過暗物質流運動產生的結果。

　　如果銀河系被暗物質籠罩，那麼當太陽繞著銀河系中心旋轉時，它就應該有規律地一頭扎進暗物質粒子風裡。

　　此外，當地球繞著太陽運行時，它應該交替地衝進和跑出這股風，從而導致暗物質碰撞的速率在一年中有增有減。

　　如果暗物質由理論家最傾向的候選粒子組成，即弱相互作用大質量粒子（WIMPs），那麼信號應該在6月達到峰值，而在12月觸底——這正是DAMA所看到的。

　　其他幾個探測器未能看到該信號。

　　然而，DAMA研究人員說，這是因為這些探測器使用更重的元素，如氙、硅和鍺作為目標核。

　　羅馬托爾維加塔大學物理學家、DAMA研究小組負責人Rita Bernabei表示：「考慮到實驗和理論上的巨大不確定性，也可能存在兼容的空間。」

　　為解決這一困惑，COSINE研究人員製造了一種同樣使用摻雜鉈的碘化鈉晶體探測器。

　　耶魯大學物理學家、COSINE團隊聯合發言人Reina Maruyama表示：「我進入這個領域是為了測試DAMA的結果，我很驚訝其他人不曾這樣做。」

　　自2016年以來，這個重達106公斤的探測器一直在韓國東海岸地下700米的襄陽地下實驗室收集數據。COSINE項目團隊近日在《自然》上報告說，它的前59.5天的數據顯示沒有暗物質的跡象。

　　那麼，這一結果否定了DAMA的結論嗎？不完全是。

　　由於只有兩個月的數據，COSINE研究人員無法尋找能說明問題的年變化，而只是尋找由外來輻射造成的背景之上的過量事件。

　　Maruyama說，這排除了DAMA看到WIMPs的可能性。

　　但是Bernabei說，這個測試太弱了，無法做到這一點。「背景建模是一個相當不確定的過程，在低能量下通常是不可靠的。」她說。

　　然而，Freese說最簡單的WIMPs版本已經被DAMA自己的數據排除了。這個論點很複雜，但WIMPs最簡單的版本應該以一種不依賴於原子核自旋的特別簡單的方式與原子核相互作用。

　　Freese解釋說，在這種情況下，DAMA年周期的高峰和低谷應該會因為低能量事件而改變6個月。

　　然而，DAMA今年早些時候提供的低能數據顯示了一個未移位的振蕩。

　　Freese認為，DAMA可能看到了更複雜的WIMPs版本或者其他暗物質粒子。但Bernabei表示，DAMA仍可以觀測到最簡單的版本。

　　所有人都同意，要真正驗證DAMA的聲明，COSINE研究人員必須尋找DAMA所看到的相同的年變化，因為這有助於從背景中提取較弱的信號。

　　Maruyama說，COSINE的工作尚未結束，年度變化搜索仍在進行中。另外兩個實驗也試圖用碘化鈉探測器直接挑戰DAMA的結果。

　　總而言之，所有的物理學家都希望能探測到暗物質。

　　Maruyama也表示希望能複製出DAMA信號。如果COSINE不能做到這一點，「我們可能永遠不知道是什麼產生了DAMA信號」。Freese說。

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