長達數十年的暗物質搜尋最終可能會陷入僵局。
這種被認為將星系凝聚在一起的神秘物質也應該環繞甚至穿過我們的身體。然而，我們看不到也感覺不到它，因為暗物質很少與普通物質相互作用。為了探測假想的暗物質粒子與原子核之間罕見的碰撞，物理學家們建造了越來越大的探測器，這些探測器可以捕捉微弱的訊號，並將它們深埋地下，遠離宇宙射線和大多數形式的干擾。現在，探測器已經捕捉到了完全不同的東西：太陽中微子，微小而虛幻的粒子，它們可以穿透普通物質，並可能掩蓋暗物質訊號。
瞥見物理學家們所稱的“中微子霧”突顯了當前探測器非凡的靈敏度，但也對當前暗物質搜尋方法的未來設定了嚴格的限制。里程碑式的證據來自該領域最前沿的兩項競爭性實驗：義大利拉奎拉格蘭薩索國家實驗室的XENONnT和中國錦屏地下實驗室的PandaX-4T（粒子和天體物理氙實驗，或PandaX 的一部分）。每個專案都使用一個巨大的極冷液氙罐作為探測器。兩個團隊都在本月早些時候在拉奎拉舉行的一次會議上分別公佈了他們的結果，PandaX-4T團隊在7月15日釋出的預印本論文中擴充套件了他們的發現。
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“這是一個真正拓展儀器能力的結果，”XENONnT的統計學家克努特·莫拉說。PandaX-4T團隊的成員在給《大眾科學》的電子郵件中表達了對他們發現的類似興奮，並指出這“證明了當前和未來PandaX物理專案的豐富性”。兩個團隊都強調，中微子霧不會擾亂他們目前正在進行的暗物質搜尋，這些搜尋計劃再執行幾年。
中微子霧源於一個命運攸關的宇宙巧合。使我們的太陽發光的熱核聚變反應也產生快速移動且輕如鴻毛的中微子，這些中微子可以以與預測的慢速和重型假想暗物質粒子完全相同的動量撞擊氙核。
“這些事件一次看是無法區分的，但[總體而言]，預期的中微子通量具有與[許多暗物質模型預測的]不同的光譜形狀，”莫拉說，他解釋了兩個團隊最初是如何標記出霧的。此外，兩個專案觀察到的候選碰撞次數與基於成熟的太陽物理學的預測一致，這進一步證實了這些事件與太陽中微子有關，而不是與某種意想不到的暗物質有關。
與XENONnT和PandaX-4T兩年發現相關的統計能力略低於該領域嚴格的“證據”閾值，更不用說“發現”了。但沒有參與實驗的研究人員表示，幾乎沒有理由懷疑。除了幾乎不可思議地與科學家的模型相符之外，結果的誤報機率也低於0.4%。 “在任何其他科學領域，[這]都像是100%保證的發現，”本·卡魯說，他是一名物理學碩士研究生，曾就職於澳大利亞研究委員會暗物質粒子物理學卓越中心悉尼大學節點。
對於莫拉來說，看到實驗結果帶來了寬慰——然後是興奮。這些發現證實，XENONnT探測器成功完成了遮蔽幾乎所有其他不需要的訊號的艱鉅任務——這對一個歷史上缺乏成功的領域來說是一個福音。“這意味著我們沒有看到任何奇怪的小故障，”他說。
在過去的四十年裡，一代又一代的暗物質探測器一直在努力“除了更好之外什麼也看不到”，悉尼大學的暗物質研究員基蘭·奧黑爾說。“現在我們正在進入一個新時代，在新的時代裡，這些探測器實際上可以做一些有價值的發現科學，儘管這種科學[可能]會阻止它們做最初建造的目的。”
中微子霧目前並沒有扼殺暗物質的搜尋，預計在下一代探測器中也不會。太陽中微子掩蓋了假定的低質量暗物質粒子，這兩種實驗迄今為止對它們的探測都很微弱。在10到15年後，中微子才可能阻礙進展。
理論上，如果目前的探測器收集到數千個額外的資料點，它們就可以開始識別中微子訊號和暗物質訊號之間的細微差別。然而，這樣做需要兩個團隊都缺乏的資源。在兩年多的時間裡，XENONnT探測器感應到約40箇中微子，PandaX-4T感應到約75個。奧黑爾說，為了“穿透霧”，研究人員需要建造一個大100倍的探測器，或者執行一個長100倍的實驗。研究人員可以透過比較使用基於氬或鍺的探測器的類似實驗的結果來節省時間。或者他們可以將太陽中微子數量的年度變化納入他們的模型中。但他表示，最終的搜尋仍然要依靠“蠻力”。
奧黑爾本人是一個名為CYGNUS的國際合作組織的成員，該組織正在開發一種備用方法——一種新的暗物質探測裝置，可以追蹤入射粒子的天體來源。太陽中微子來自太陽，而暗物質粒子預計來自合作組織名稱的來源方向：天鵝座。雖然大多數理論家懷疑暗物質均勻分佈在銀河系的星盤中，但太陽系目前正在穿過星盤，朝向天鵝座移動，這意味著探測器應該從天空的那個大致區域記錄到“頂風”的暗物質粒子。
然而，這樣一種裝置可能需要數年的開發時間。卡魯指出，建造一個足夠靈敏和精確的探測器已經很有挑戰性，更不用說增加額外的功能了。
奧黑爾認為，最近的技術進步以及對霧的日益關注，可能會為CYGNUS提供更多的動力。“[這種替代方法]歷史上並沒有得到同樣的推動，”他說。“我認為這種情況會慢慢開始改變。”
奧黑爾指出，改變也可能來自物理學家重新思考暗物質可能採取的形式。與迄今為止的大多數實驗一樣，XENONnT和PandaX-4T假設暗物質表現為WIMP，即弱相互作用大質量粒子。隨著這些努力繼續排除各種WIMP候選者，人們對另一個想法的興趣正在激增：暗物質由軸子組成。這些假想粒子比WIMP輕得多，可以透過其他方式探測到。
如果暗物質探測器確實屈服於霧，科學家們可以重新利用這些儀器來研究中微子。少數專門的實驗可以識別和觀察這些奇特的粒子，但XENONnT和PandaX-4T報告的相互作用——太陽中微子與整個原子核之間的碰撞——以前從未被捕捉到過。更多的資料不僅可以加強現有的發現，還可以產生新的測量方法。PandaX-4T團隊特別感興趣的是一種假想的放射性衰變形式——無中微子雙β衰變——如果觀察到這種衰變，就可以解決關於中微子是否擁有或是否是其自身反粒子的爭論。“下一代PandaX的物理學機遇遠比僅僅是暗物質搜尋豐富得多，”該團隊的成員告訴《大眾科學》。
無論是否藉助基於氙的工具，對暗物質粒子的搜尋都可能會持續下去。奧黑爾強調，回答究竟是什麼構成了宇宙中看不見的物質——或者除了暗物質之外還有什麼解釋了某些宇宙怪癖——有可能徹底改變物理學定律。“大自然有可能給了我們這種粒子，它除了[幫助]形成星系之外什麼都不做，”他說。“但除非我們嘗試一切，否則我們永遠不會知道。”