物理學家正在制定一項計劃，給予一種流行但難以捉摸的暗物質候選者最後一次展現自己的機會。幾十年來，物理學家一直假設弱相互作用大質量粒子 (WIMP) 是暗物質的最有力候選者——暗物質是構成宇宙質量 85% 的神秘物質。但多項實驗未能找到 WIMP 的證據，這意味著，如果它們存在，它們的特性與最初預測的不同。現在，研究人員正在努力建造新一代超靈敏探測器——或一個“終極”探測器——這將使粒子無處藏身。
新澤西州普林斯頓大學的物理學家瑪麗安傑拉·利桑蒂說：“在下一代探測器執行後，WIMP 假設將面臨真正的清算。”
物理學家長期以來預測，宇宙中瀰漫著一種看不見的物質，它有質量但不與光相互作用。暗物質的引力效應可以解釋為什麼旋轉星系不會自行撕裂，以及早期宇宙微波“餘輝”中看到的參差不齊的圖案。WIMP 在 20 世紀 80 年代成為暗物質的熱門候選者。通常預測它們比質子重 1-1,000 倍，並且僅透過弱核力（負責放射性衰變）或更弱的力與物質發生微弱的相互作用。
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超冷氙
在未來幾個月內，位於美國、義大利和中國的三個現有地下探測器將開始執行，這些探測器透過尋找超冷氙容器中的相互作用來搜尋暗物質粒子。這些探測器使用十多年來磨練的方法，將觀察當原子核因與暗物質粒子相互作用而反衝時發出的指示性閃光。
物理學家希望這些實驗——或使用鍺和氬等材料的競爭對手 WIMP 探測器——將首次直接探測到暗物質。但如果這種情況沒有發生，氙研究人員已經在設計他們的終極 WIMP 探測器。這些實驗可能是同類實驗的最後一代，因為它們將非常靈敏，以至於它們將達到“中微子本底”——一個自然極限，超過這個極限，暗物質與氙核的相互作用將非常少，以至於其探測將被中微子所掩蓋，中微子幾乎不與物質相互作用，但每秒以萬億計的數量降落在地球上。“不彌補這個差距有點瘋狂，”瑞士蘇黎世大學的物理學家勞拉·鮑迪斯說。“後代可能會問我們，你們為什麼不這樣做？”
這些努力中最先進的是一項名為 DARWIN 的計劃實驗。該探測器估計耗資 1 億至 1.5 億歐元（1.16 億至 1.5 億美元），由國際 XENON 合作組織開發，該組織執行著今年啟動的 3 個實驗之一——位於羅馬附近 Gran Sasso 國家實驗室的一個名為 XENONnT 的 6 噸探測器。DARWIN 將包含近十倍於此體積的氙。合作組織的成員從多個資助機構獲得撥款，用於開發探測器技術，包括將在 DARWIN 更大尺度上工作的精確探測技術，XENON 的主要成員和 DARWIN 的共同發言人鮑迪斯說。
全球實驗
該專案也列入瑞士未來科學基礎設施國家路線圖，德國研究部已釋出專門針對 DARWIN 相關研究的資助呼籲；這些步驟表明，這些國家將來可能會進一步注資。儘管 DARWIN 尚未正式確定所在地，但它最終可能會在 Gran Sasso 安家落戶。今年 4 月，該實驗室正式邀請合作組織在 2021 年底前提交概念設計報告。“它非常清楚地告訴我們，實驗室非常有興趣主辦這樣的實驗，”德國弗萊堡大學的物理學家、共同發言人馬克·舒曼說。該團隊希望在 2026 年開始採集資料。
儘管 DARWIN 目前由 XENON 合作組織領導，但鮑迪斯希望中國同行（今年正在啟動一項名為 PandaX-4t 的實驗）或參與美國氙實驗 Lux-Zeppelin 的團隊可能會加入他們，共同建造一個“終極”探測器。這些團隊也考慮過建造能夠將他們帶到中微子本底的實驗，但“目標當然是擁有一個大型全球氙基暗物質實驗”，鮑迪斯說。
物理學家可能別無選擇，只能聯合起來，因為需要大量的氙。由於從空氣中提取氙需要耗費大量能源，並且來自電子、照明和航天工業的競爭需求，這種稀有氣體難以大量獲得。一公斤的價格可能超過 2,500 美元。達爾文的 50 噸將接近世界年產量約 70 噸，這意味著——即使所有 3 個現有探測器合併其 25 噸——未來的實驗也需要在幾年內分批購買剩餘的氙。“我們現在就必須非常仔細地為此做好計劃，”鮑迪斯說。
使用氬氣尋找暗物質的類似實驗的研究人員也希望建造一個探測器以達到中微子本底。一項名為 ARGO 的 300 噸實驗可能會在 2029 年左右開始執行，並且可以確認 DARWIN 看到的任何訊號。
為什麼選擇 WIMP？
WIMP 一直是數十個實驗的焦點，因為它們的存在有強有力的理論依據。它們不僅解釋了星系為何像現在這樣運動，而且它們的存在也符合粒子物理學理論。一組被稱為超對稱性的理論，在 20 世紀 70 年代被設計出來，以填補物理學家基本粒子及其相互作用的標準模型中的漏洞，預測了一種類似 WIMP 的粒子。當粒子物理學家模擬早期宇宙時，他們發現具有類似 WIMP 特性的粒子會在相互作用的熱湯中倖存下來，數量剛好與今天觀察到的暗物質丰度相匹配。
但來自直接暗物質探測器和大型強子對撞機等粒子加速器的零結果意味著，如果 WIMP 存在，那麼它們與物質相互作用的可能性或它們的質量必須處於最初預測的最低端。未能探測到 WIMP 已導致物理學界“暫停並反思”它們的地位，俄勒岡大學尤金分校的物理學家田田·於說。包括於在內的許多物理學界人士現在正在尋找其他暗物質候選者，包括透過更小、更便宜的實驗。
於說，儘管如此，WIMP 在理論上仍然足夠有吸引力，可以繼續進行長達數十年的搜尋。DARWIN 團隊強調，其超靈敏探測器將有無數用途——包括解決中微子物理學中的緊迫問題，鮑迪斯說。DARWIN 可以幫助解決的一個謎團是中微子是否也是它們自身的反粒子。
舒曼說，無論是單個實驗還是多個實驗，“我敢肯定，會建造一個類似 DARWIN 的探測器。”
本文經許可轉載，最初於 2020 年 10 月 2 日首次發表。