暗物質研究人員依然茫然,地下搜尋結果尚不確定

埋藏在礦井深處的探測器記錄到兩個潛在的暗物質訊號,但其中一個或兩個都可能是背景噪聲

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週四,一項備受期待的關於暗物質可能訊號的公告為物理學界提供了一些素材,但未能產生一些人預測的轟動性結果。在斯坦福大學的網路直播演講中,南衛理公會大學的粒子物理學家喬迪·庫利介紹了低溫暗物質搜尋2 (CDMS-2)的最新結果,這是一系列埋藏在明尼蘇達州北部一座廢棄鐵礦深處的探測器。(第一個CDMS實驗位於斯坦福,更靠近地表。)她說,CDMS-2探測到兩個符合暗物質粒子透過特徵的訊號,但其他可能性無法排除。

暗物質被認為約佔宇宙的四分之一但從未被直接觀測到。在目前對宇宙組成的估計中,普通原子(例如我們探測到的可見宇宙)僅貢獻約5%;宇宙的大部分以所謂的暗能量形式存在,宇宙在這種能量的影響下正在加速膨脹。幾十年來,暗物質的存在一直是從其對星系團等大規模結構的引力效應中推斷出來的,但由於它與普通物質的相互作用不多,並且不發射或吸收光——因此被稱為“暗”物質——因此到目前為止,直接觀測它仍然是不可能的。

許多暗物質模型認為,這種神秘物質以弱相互作用重粒子或 WIMP 的形式存在——也就是說,除了引力外,還透過弱核力相互作用的粒子。(弱力僅在非常短的距離內起作用,是自然界中負責放射性衰變等現象的力。)CDMS-2 位於明尼蘇達州蘇丹地下實驗室地下 780 米處,正在尋找此類 WIMP。該實驗監測鍺探測器,將其冷卻到絕對零度以上幾分之一度,以尋找 WIMP 與鍺核碰撞產生的細微振動和電離效應。

探測器透過多層絕緣層遮蔽,免受汙染性輻射的影響。其中一層是 4.5 釐米厚的鉛從一艘有數百年曆史的法國沉船的壓艙物中回收,這艘船的年代確保了來自不穩定的鉛同位素衰變的大部分潛在汙染性輻射早已消失。CDMS-2 的地下位置進一步將實驗與宇宙射線和其他背景輻射源隔絕開來。

即便如此,庫利和她的同事計算出,在獲取新公佈的 CDMS-2 資料集(執行時間為 2007 年和 2008 年)的過程中,探測器預計會接收到大約 0.5 個模擬 WIMP 的背景事件。即使更謹慎地看待背景源,CDMS 團隊也得出了 0.8 個事件的估計背景貢獻。令人興奮的是,探測器記錄到兩個看起來像 WIMP 的事件——比背景噪聲預期的要多。更重要的是,庫利指出,“這兩個事件發生在探測器效能幾乎理想的時間段。” 並且它們是在不同月份由不同的探測器記錄的。

儘管如此,CDMS 合作組織警告說,看到兩個背景事件的可能性約為 25%。庫利說:“我們的結果不能被解釋為 WIMP 相互作用的有力證據。” 不過,她補充說,該團隊“也不能將兩者都排除為訊號”。在 CDMS 團隊週四釋出的成果摘要(pdf)中,研究人員指出,探測器需要記錄五個事件才能為暗物質探測提供確鑿的證據。

有些人無疑會覺得 CDMS-2 的公告令人失望。自粒子理論部落格Resonaances 於 12 月 7 日不準確地報道 CDMS 合作組織將在《自然》雜誌上發表其結果以來,謠言在部落格圈中沸沸揚揚,這將暗示一項在粒子物理學界之外具有廣泛吸引力和接受度的發現。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)

合作組織指出,SuperCDMS 將涉及更多探測器,因此有更多材料供 WIMP 碰撞,已經在蘇丹開始成形,並可能在 2010 年夏季全面部署。對暗物質的明確直接探測是物理學界最大的獎項之一,屆時可能仍然有機會獲得。

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