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随着一项被报道的探测失败,暗物质之谜进一步加深


在神秘故事中,主要嫌疑人几乎总是在书的结尾之前被证明无罪。通常是因为关键证据被证明是错误的。

在科学上,关键证据应该是正确的。但有时并非如此。在宇宙中不可见的“暗物质”之谜中,一名主要嫌疑人的证据已经被直接揭穿。大质量弱相互作用粒子(wimp),一种被广泛认为是暗物质的主要候选者的微小粒子,未能出现在一项专门为测试先前声称发现它们的研究而设计的实验中。

几十年来,物理学家们已经意识到,宇宙中的大部分物质与地球上的物质截然不同,地球上的物质主要由质子和中子组成。引力对可见物质(恒星和星系)的影响表明,一些不明身份的黑暗物质弥漫在宇宙中。普通物质占宇宙物质丰度的不到20%。

由于不相关的原因,理论家们也一直认为,自然界中存在着一种神秘的微小粒子类型,这种微小粒子的理论数学框架被称为超对称性,简称SUSY。按照亚原子标准,这些粒子质量很大,但与其他物质的相互作用很弱,因此被称为大质量弱相互作用粒子,即大质量弱相互作用粒子。

在许多可能存在的大质量弱相互作用粒子中,有一种(大概是最轻的一种)应该具有解释暗物质干扰恒星和星系运动的必要属性(SN: 12/27/12)。早在上个世纪,人们就开始寻找大质量弱相互作用大质量弱相互作用粒子,试图证明它们的存在,并确定暗物质是由哪些物种组成的。

1998年,一个研究小组宣布取得了明显的成功。一项名为DAMA(代表暗物质,懂了吗?)的实验,由一个埋在意大利阿尔卑斯山下的粒子探测器组成,似乎确实探测到了一些物理学家对暗物质信号的预期具有的特性的粒子。

这是一个棘手的实验,它依赖于宇宙中充满大质量弱相互作用粒子的前提。一个含有大块碘化钠的探测器在被WIMP撞击时应该会发出闪光。但是其他来自天然放射性物质的粒子也会产生闪光,即使大质量弱相互作用粒子只是一个神话。

因此,实验人员采纳了物理学家凯瑟琳·弗雷斯、沐鸣平台注册登录官网大卫·斯佩格尔和安德雷·德鲁奇尔早些时候提出的一个聪明的建议,正式地被称为年度调制测试。我们就称它为6 - 12月方法吧。

地球绕太阳公转,太阳也绕着银河系公转,绕着天鹅座方向的螺旋臂公转。如果星系中真的充满了WIMP,那么太阳应该会不断地穿过它们,产生“WIMP风”。(这就像你把头伸出行驶中的汽车窗外时感受到的风。)六月,地球的轨道与太阳绕星系的运动方向一致——迎风运动。但在12月,地球朝着相反的方向运动,远离风。因此,6月份撞击地球的大质量弱相互作用大质量粒子数量应该多于12月份。这就像你的汽车挡风玻璃在前进时比倒车时撞到更多的雨滴一样。

1998年12月在巴黎举行的天体物理学会议上,DAMA小组的Pierluigi Belli报告了一个明确的信号(或者至少是一个强烈的暗示),即6月份到达的粒子比12月份更多。(更准确地说,结果显示了每年闪光频率的变化,在6月左右达到高峰,在12月达到最低。)DAMA的数据显示,WIMP的质量为590亿电子伏特,大约是质子质量的60倍。

但一些专家对DAMA团队的数据分析表示担忧。如果DAMA是对的,那么用不同的探测器和策略对WIMPs进行的其他搜索本应发现WIMPs,但没有发现。不过,DAMA持久化。该实验的高级版本DAMA/LIBRA继续发现了6月至12月的差异。

也许DAMA比其他实验对wimp更敏感。毕竟,其他的搜索并没有重复DAMA的方法。一些人使用除碘化钠以外的物质作为探测材料,或者观察温度的轻微上升,认为这是WIMP碰撞而不是闪光的迹象。

就此而言,大质量弱相互作用粒子可能不是理论学家最初所想的那样。DAMA最初报道了60个质子质量的大质量弱相互作用粒子,其依据是大质量弱相互作用粒子与碘原子发生碰撞。但后来的数据表明,可能WIMP撞击的是钠原子,这意味着WIMP的质量要轻得多——比其他优化设计的实验要轻得多。还有一种可能性:微量的金属元素铊(比碘或钠重得多的原子)可能是WIMP的目标。但最近对该提议的审查再次发现,DAMA的结果与其他实验中缺乏信号的情况不一致。

现在,DAMA想要证明自己清白的希望被一个新的地下实验进一步粉碎了,这个实验在西班牙进行。与ANAIS合作的科学家们用碘化钠重复了6 - 12月的方法,试图用同样的方法和材料重现DAMA的结果。经过三年的运行,ANAIS小组报告没有发现弱相互作用粒子的迹象。

公平地说,这一结论是基于大量非常复杂的技术分析得出的。这不仅仅是数闪光灯的问题。你必须收集关于九个不同的碘化钠模块行为的严格数据。你必须纠正由于宇宙射线碰撞而产生的稀有放射性同位素,而这些模块还在建造中。此外,识别冬夏信号差异所需要的统计分析不是你应该在家里尝试的东西(除非你完全精通最小二乘周期图或Lomb-Scargle技术)。此外,沐鸣平台登陆线路ANAIS还在继续,计划在发布最终分析报告之前再收集两年的数据。因此,对大妈的懦夫们的判断不一定是最终的。

然而,这对弱相互作用大质量粒子来说并不乐观,至少对那些被超对称性所驱使的弱相互作用大质量粒子来说是如此。

遗憾的是,对于SUSY的粉丝来说,从太空搜索wimp并不是唯一的坏消息。到目前为止,用粒子加速器制造弱相互作用大质量粒子的尝试也以失败告终。暗物质可能是由其他亚原子粒子组成的。

如果是这样的话,这将是一个足以与阿加莎·克里斯蒂(Agatha Christie)媲美的情节转折,有点像波洛竟然是凶手。因为对称长期以来一直是物理学家最可靠的朋友,引导了许多伟大的成就,从爱因斯坦的相对论到粒子和力的标准模型。

不过,到目前为止未能找到超对称性粒子并不一定意味着它们不存在。超对称性可能并不像它看起来那么简单。而超对称性粒子可能只是比科学家们最初猜测的更难探测。但是,如果超对称性确实不是那么超级,科学家们可能需要反思对对称性的信仰是如何将他们引入歧途的。