科學家們長期以來一直懷疑一種被稱為暗物質的透明物質充滿了宇宙，防止我們的宇宙結構被撕裂。但是，暗物質究竟是由什麼構成的仍然是一個謎。物理學家們建造了巨大的地下探測器，這些探測器已準備好探測正常物質和暗物質之間罕見的碰撞，如果後者以被稱為 WIMP 的理論粒子的形式存在：弱相互作用大質量粒子。然而，經過數十年的執行，這些日益敏感的探測器尚未接收到任何暗物質訊號，這導致物理學家們拋棄了許多不同版本的 WIMP 理論。
上週，研究人員宣佈，他們已大幅削減了該模型提供的剩餘可能性。WIMP 的質量範圍可能在 1 到 100,000 吉電子伏特除以光速平方 (GeV/c2) 之間，質量單位大致相當於質子的質量。（儘管名稱如此，但與一粒米或一個細菌細胞相比，WIMP 仍然非常小。）這項新研究來自Sanford 地下研究設施的 LUX-ZEPLIN (LZ) 實驗，並在芝加哥和巴西聖保羅的會議上進行了展示，研究發現，如果 WIMP 存在，它們的質量應低於 9 GeV/c2——否則它們早就應該出現了。當然，暗物質可能根本不是由 WIMP 構成的，即使是，仍然有很多版本在起作用。但找到它們看起來越來越難。在較低的質量範圍內，被稱為中微子的粒子可以穿透正常物質，撞擊探測器，模仿並淹沒暗物質訊號。
“由於我們尚不清楚的原因，自然界選擇了一個相當具有挑戰性的引數組合，”LZ 的首席研究員、布朗大學的天體物理學家理查德·蓋茨克爾說。
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蓋茨克爾說，他和 LZ 團隊的其他成員一樣，都希望該專案能找到暗物質，但沒有理由相信它必須位於 WIMP 譜的較重一側。他強調，為了確定更精確的暗物質性質理論，物理學家需要測試各種理論模型。他並沒有沉浸在挫敗感中，而是將最新的零結果視為研究過程的內在組成部分。“如果你假設你會得到積極的結果，那麼恐怕從統計學上講，你會失望的，”他笑著說。
德克薩斯大學奧斯汀分校的粒子物理學家、LZ 的副物理協調員斯科特·克拉維茨說，即使沒有訊號，當它成功排除如此廣泛的暗物質候選者時，也是一項科學上的勝利。“我很高興我們對暗物質的靈敏度如此之好，”他解釋說，並強調了該團隊探測器的 10 噸大小及其限制可能干擾潛在暗物質訊號的背景噪聲的敏銳能力。
麻省理工學院的理論物理學家特蕾西·斯拉特耶指出，這項工作“為任何實驗設定了最佳限制，即使對於非經典 WIMP 且不是其最初動機一部分的暗物質情景也是如此”。她沒有參與這項研究。“這是一個非常棒的結果。”
然而，與此同時，這個結果也給正在進行和未來的直接探測工作帶來了壓力。克拉維茨說，如果下一代裝置未能發現暗物質，研究人員可能需要轉換方法，並將現有探測器重新用於其他功能。
LZ 等實驗使用巨大的冷液氙罐作為探測器。惰性氙核與雜散粒子之間的碰撞會產生微小的光和能量爆發——科學家可以檢查這些訊號以尋找暗物質。這些儀器位於地下一公里多處，以避免宇宙射線和其他能量源的干擾。但是，微小的、幽靈般的中微子粒子不會在意這些屏障，不幸的是，它們與某些型別的低質量暗物質訊號幾乎完全匹配。義大利拉奎拉的 XENONnT 和中國四川的 PandaX-4T 這另外兩項直接探測實驗，今年夏天早些時候宣佈，他們發現了這些討厭的粒子，儘管沒有達到該領域“證據”或“發現”的嚴格統計閾值。
悉尼大學的暗物質研究員基蘭·奧黑爾說，從理論上講，如果基於氙的探測器增大 100 倍，或者實驗時間延長 100 倍，它們就可以區分中微子訊號和暗物質訊號中的細微差別。然而，這樣做將需要無法實現的資金和勞動力投入。因此，他和克拉維茨認為，物理學家最好將他們有限的時間和資金用於其他方法。但奧黑爾估計，所謂的“中微子霧”——中微子訊號使暗物質無法被看見的點——至少在未來 10 到 15 年內不會扼殺研究。
暗物質研究人員還使用望遠鏡搜尋 WIMP，探測粒子在太空中相互碰撞並“自湮滅”的跡象——這是理論預測的過程，可能會釋放光。這種型別的“間接探測”通常是對直接探測工作的補充，因此不會取代基於氙的儀器。作為名為 CYGNUS 的國際合作組織的一員，奧黑爾希望幫助建造一種新型的直接探測儀器，該儀器可以識別入射粒子的天體來源，從而區分太陽中微子和潛在的暗物質候選者。但他也認為，注意力可能會進一步轉移到另一種關於暗物質性質的理論上：暗物質是由軸子構成的可能性。這些假想粒子甚至比最小的 WIMP 還要輕，並且可能透過其波形的振盪來檢測。（像所有粒子一樣，軸子既以粒子形式存在，也以波的形式存在。）
還有一種很小的可能性，即 LZ 排除的暗物質候選者的相互作用比大多數物理學家認為的要弱得多，這意味著對該質量範圍的長期研究仍然可能揭示暗物質訊號。“我們已經探索了大部分最受重視的理論，但不是 90%，”克拉維茨警告說。
PandaX-4T 實驗背後的競爭性直接探測工作 PandaX 的成員告訴大眾科學，他們期待在其即將發表的論文中瞭解更多關於 LZ 工作的資訊，並在該專案自己的實驗中測試零發現。該團隊強調，即使 9-GeV/c2 截止點成立，探測器仍有充足的探索空間。
LZ 正在進行的研究也可能證實其初步發現。零結果來自 280 天的資料收集。然而，該實驗計劃總共執行 1,000 天，於 2028 年結束，因此它可以再獲取 720 天的資訊。
9-GeV/c2 限制代表了資料分析的閾值，而不是資料收集的閾值，因此 LZ 團隊還有另一堆與較低質量訊號相關的資料，將在未來的工作中進行整理。“探測器的表現確實很好，這可能會使這些資料非常令人興奮，”蓋茨克爾說。