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  • 科學家模擬的暗物質地圖(出處:TomAb

      但,探測暗物質粒子的實驗設計卻是困難重重。其中一大難題在于,怎么樣區別并排除一般物質的干擾。一般物質的粒子(比如伽馬射線、中子)也可以撞擊探測器、產生干擾信號,也就是所謂的“本底事件”。盡管科學家采取了一系列抗干擾的方法,包括將探測器建在地下深處以屏蔽射線干擾、用低放射性本底的材料等等,但要想將WIMP產生的信號和本底事件區別開來、直接辨別出單次撞擊是不是與WIMP有關,仍然較為困難。

      揭開暗物質的面紗

      1933年,瑞士天文學家弗里茨·茨威基(Fritz Zwicky)在研究距離大家3.2億光年的后發座星系團時發現,其中很多星系以非常高的速度在旋轉。據此估算,星系團中的物質總量能產生的引力遠遠不足以將這部分星系束縛在一塊——換言之,在如此高速的旋轉下,這個星系團應該已經“散架”了。

      DAMA如此“漂亮”而沒辦法復現的結果引發了很多爭議。有科學家指出,與季節變化耦合的結果也會是由其他與WIMP無關的原因所致,比如宇宙線強度、溫度、濕度等。因為DAMA的探測器坐落于北半球,在南半球建設另一臺探測器,可能可以排除部分上述原因的影響。除此之外略顯可疑的是,DAMA的團隊從來沒公開過其詳細數據和辦法,也就意味著其他科學家沒辦法仔細審查其研究。DAMA團隊在處置數據時,以年為單位從數據中減去噪聲的平均值,這項操作可能會讓原本不含信號的數據變成周期性信號,從而產生誤導性的結果。

      科學家模擬的暗物質地圖(出處:Tom Abel & Ralf Kaehler/KIPAC/SLAC/AMNH)

      難以服眾的“漂亮”結果

      1997年,DAMA/NaI公布了初步觀測結果;2003年,DAMA/NaI“退役”,此后升級為DAMA/LIBRA,后者探測器中的摻鉈碘化鈉晶體從9個增加到了25個,擁有更強的探測能力。無論是在DAMA/NaI還是DAMA/LIBRA時期,該項目的科學家每一次公布的數據,都指向了同一個結論:他們非??赡苷业搅税滴镔|粒子。

      實驗設施中的小問題也會對結果產生巨大的影響。2019年年初,加州大學戴維斯分校的一支團隊稱,假如光電倍增管中有少量的氦污染,便可能會產生與DAMA一樣的結果,這可能可以講解為何他們不斷地探測到信號,而其他的實驗卻一籌莫展。

      在隨后的二十多年時間里,多個暗物質探測項目在全球各地拓展,但沒任何實驗可以重復DAMA團隊的結果。很多在同樣能量范圍內進行探測、靈敏度比DAMA實驗高得多的實驗,也都沒辦法偵測到能證明暗物質粒子存在的信號。

      40年后,茨威基的“暗物質”假說終于重新讓人們看重。1970年,美國天文學家薇拉·魯賓(Vera Rubin)發現,在與星系中心的距離達到肯定值之后,恒星圍繞星系中心公轉的速度不再發生變化,這與萬有引力定律的預測不符。此后,天文學家依據多方面的天文觀測結果推斷,宇宙中存在很多不發出任何波段的電磁波、不與光相互用途,只能通過引力效應間接感知其存在的暗物質。依據現在的估算,暗物質約占宇宙中物質總量的85%,遠多于大家熟知的一般物質。

      1997年9月,一則從意大利格蘭薩索國家實驗室傳出的消息引燃了物理學界。在該實驗室舉辦的一場天體粒子物理會議上,研究團隊公布了暗物質粒子探測項目DAMA/NaI的初步結果:這個探測器好像找到了一絲暗物質粒子存在的線索。

      “看不見”的物質

      從茨威基提出暗物質的猜想至今,接近90年已經過去了。盡管科學家們提出了各種猜想,探測器也變得愈發強大,大家還是難以揭下暗物質神秘的面紗。從現在的結果來看,大家非常難相信DAMA團隊確實探測到了暗物質粒子。伴隨其他實驗數據的積累,DAMA實驗的結果將同意進一步、更嚴格的檢驗。這不只關乎新的、甚至是革命性的科學發現,也警示著大家,可重復性對科學實驗至關要緊,而對數據的剖析和解析則應慎之又慎。

      為了檢驗DAMA團隊的結果是不是可信,一支西班牙的科研團隊模仿DAMA實驗,拓展了AN人工智能S-112項目。該實驗在西班牙坎夫蘭克地下實驗室(Canfranc Underground Laboratory,LSC)展開,其探測器用了9個、每一個重12.5千克的摻鉈碘化鈉晶體模組。不過,AN人工智能S-112項目的數據和辦法都是公開的,而且團隊在數據剖析時也避開了上述可疑的操作。

      重現DAMA實驗

      1996年,在1400米厚的巖層之下,DAMA/NaI實驗正是基于如此的思路開始工作。其探測器中包含9個摻鉈碘化鈉晶體組成的陣列,每一個晶體重9.7千克。依據理論預測,假如有暗物質粒子進入探測器,這部分“看不見”的粒子會和晶體的原子核發生碰撞并散射,即“核反沖”。隨后,反沖出來的帶電原子核可能會激起晶體中的原子,當原子退激起時,會發射出可見光波段的熒光,使連接在晶體上的光電倍增管產生電脈沖信號,從而使大家獲知暗物質粒子的存在。

      不過,關于暗物質的本質到底是什么,科學家仍莫衷一是。其中呼聲最高的暗物質候選粒子是大水平弱相互用途粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)。一方面,WIMP與粒子物理中某些理論預言的粒子性質相似;另一方面,從實驗探測的角度,WIMP和一般物質之間存在著弱但不為零的耦合用途,因而可能被直接觀測到。出于這部分原因,這種假想中、仍未被證實存在的粒子讓人們寄予厚望。而在格蘭薩索國家實驗室,DAMA/NaI實驗的探測目的正是這種粒子。

      但,正如你熟知的那樣:科學界常見覺得,大家距離暗物質粒子的真相依舊遙不可及。對于DAMA實驗,最大的問題在于:自始至終,可以得到類似結論的,只有DAMA實驗團隊。

      事實上,在DAMA/NaI團隊于1997年報告其初步觀測結果,宣稱可能觀測到WIMP的年調制效應時,就有不少科學家提出了質疑。他們覺得,依據團隊自己公布的信息,其剖析和推論過程存在若干不嚴謹之處。比如,探測器的9個晶體輸出的結果特點并不相同,只有3個晶體輸出的結果與存在年調制效應的狀況相符,也就是說探測器本身可能存在系統誤差。除此之外,研究團隊對探測能量區間的有意選擇、剖析夏冬兩季數據的時間長度差異、對噪音的截斷處置等,同樣值得商榷。

      因此,另一種思路開始遭到關注,那就是從群體特點的角度來確定暗物質粒子存在與否。

      比如在2018年,DAMA/LIBRA第二階段的數據就顯示:在1~6 keV的光電子探測區間內,該階段數據的統計學顯著性達到了9.5σ——換句話說,假如不是因為年調制效應,那樣得到這部分數據的概率不足2/1011,也就是500億分之1。這已經遠遠超出粒子物理學范圍,聲稱發現新粒子需要達到的5σ的顯著性標準。綜合DAMA/NaI和DAMA/LIBRA共14年的探測數據,在2~6 keV的能量區間內,統計學上的顯著性更是達到了12.9σ。這部分結果好像是探測到了暗物質粒子的鐵證,也好像是近幾十年來,大家最接近“看到”暗物質真面目的一次。

      科學家覺得,在整個銀河系的范圍內彌漫著很多的暗物質,這一結構也被叫做暗物質暈。而太陽系圍繞銀河系中心公轉,與暗物質暈存在相對運動,因此暗物質暈中的暗物質粒子會像“風”一樣吹向太陽系。

      茨威基據此覺得,星系團中可能還有很多大家“看不見”,但具備引力的物質,而且其水平足夠大,可以確保星系團中的海量星系在高速運動的狀況下依舊不會散開。這種物質沒辦法被觀測到,因此茨威基在德語中稱其為dunkle Materie,翻譯過來即為“暗物質”。不過,如此的想法過于超前,在非常長一段時間內都門可羅雀。

      不過,現在AN人工智能S-112的結果還不可以完全排除DAMA/LIBRA確實探測到暗物質的可能性。依據計劃,AN人工智能S-112實驗會運行5年。研究團隊推算,屆時這一實驗與DAMA/LIBRA實驗結果的分歧會更為顯著,可以達到3σ的置信度,從而給DAMA/LIBRA的結果斷定“生死”。不過,要想達到5σ的置信度,則需要累計采集10年的數據。

      在隨后的20多年里,來自這個實驗室的證據一次次指向暗物質粒子,但他們的結果好像永遠沒辦法得到其他科學家的重復。目前,這個曠日持久的暗物質之謎終于接近水落石出。這個來自意大利地下深處的實驗,真的找到了暗物質嗎?

      審校 | 吳非

      上世紀80年代中期,有科學家覺得因為地球繞太陽公轉,暗物質粒子風吹向地球的速率和方向會存在周期性的變化:每年6月,地球公轉與太陽系在銀河系中的公轉方向相同,此時地球相對暗物質暈的運動速率最快,“風速”最高;反之,12月時“風速”最低。如此的現象被叫做“年調制效應”(annual modulation effect)。假如如此的效應的確存在,那樣暗物質粒子與探測器碰撞的概率就會呈現年度的周期變化——一旦能觀測到年調制效應的信號,也就能間接證明暗物質粒子的存在。

      2017年8月,AN人工智能S-112的探測器開始采集數據,并先后報告了1.5年、2年和3年的觀測結果,均沒察看到WIMP的年調制效應。而且,這一結論在統計學上的顯著性愈加強,近期一次的置信度已經接近3σ——這一般是聲稱發現了證實或證否某個假說的證據時,所需要達到的規范。這也說明,DAMA實驗的結果已岌岌可危。

      撰文 | 李詩源

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