簡訊 美國《科學》雜志發文稱追獵WIMP 暗物質前景堪憂

簡訊 美國《科學》雜志發文稱追獵WIMP 暗物質前景堪憂

［編輯人語］2016年3月25日美國《科學》雜志發文跟蹤報道液氙探測器對作為重要暗物質候選體的弱作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的多年實驗探測搜索歷程和前景評估。“當液氙探測器靈敏度逐漸增高到能探測到來自太陽和其它來源的中微子的背景干擾時，對假定的暗物質粒子WIMP的跟蹤搜尋就將很可能終結”。我們在與幾位研究者探討此話題之后，認為非常有必要及時向讀者們介紹該文。本文有對《科學》原文的編譯摘錄，也包括我們請教了相關專家對該文的解釋和評論。特別建議有興趣的讀者直接閱讀《科學》英語原文，了解國際上用液氙探測器實驗搜尋WIMP前沿的實際情況，有一個綜合的全局觀。鏈接地址是:Science 25 Mar 2016:Vol.351，Issue 6280，pp.1376-1377（DOI:10.1126/science.351.6280.1376）.

原文標題:Crunch time for dark matter hunt—Little confidence that biggest WIMP detector ever will find hypothesized particles

作者:Adrian Cho

譯文標題:追獵暗物質的危機時刻——當今最大型的弱作用大質量粒子探測器（WIMP）最終究竟能否找到假想的粒子，人們沒有什么信心了

2016年3月在歐洲意大利半島中部的Apennine山脈最高峰Gran Sasso d’Italia之下1.4公里的地下實驗室內，實驗物理學家們啟動了往一個圓柱狀的缸罐內灌注液氙（xenon），這是一種密度約為水密度三倍的寒冷物質材料.這個高和寬均約為一米的缸罐正是氙一噸探測器（XENON1T）的心臟部分，“氙一噸”是迄今為止搜尋弱作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的最大實驗探測器.它超越了物理學家們過去30年間搜尋候選暗物質粒子WIMP的一個尺寸上的重要閾值.

神秘的暗物質和暗能量被形象地喻為“漂浮在21世紀初物理學天空中的兩大烏云”.物理學家們對于具有一切引力性質的暗物質的可能粒子有很多種假設猜想，這個WIMP則是假設的暗物質粒子大家族中的一種目前最被理論粒子物理學家所青睞的一個成員.物理學家們想象了以三種不同方式來探測WIMP（參見Science，6 July 2007，p.32），上面提到的氙一噸地下探測器裝置就是其中一條重要的搜索WIMP的實驗途徑.

WIMP概念起源于1980年代初期.1983年在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的粒子物理實驗室里，實驗物理學家們發現了傳遞被稱之為弱核力的粒子:稍縱即逝的W-玻色子和Z-玻色子.那時，理論家們設想如果這些玻色子有一個穩定的相似質量（比如說，幾百倍質子質量）的不帶電荷的堂表兄弟粒子，那么足夠多的此類重而孤零的粒子將在宇宙大爆炸后游弋徘徊，提供其引力足以把諸多星系和其他宇宙結構束縛住的不可見的質量.暗物質候選粒子WIMP由此應運而生.

受“WIMP奇跡”的啟迪鼓舞，理論家們意識到一個稱之為超對稱的概念恰也預言多種WIMP.超對稱性假設每個已知粒子均有一個更大質量卻自旋不同的相伴粒子.在諸多超對稱性版本中，最輕的超對稱相伴粒子是穩定的、電中性的，且恰如WIMP一樣只通過弱力相互作用.恰恰是這一特有的可能聯系使得WIMP成為暗物質的兩個領先候選者之一（另一候選者則是軸子（axion），源自強核力理論的一種假想粒子.參見Science，1 November 2013，p.552）.

就地下暗物質探測器而言，目前全世界有十多個實驗團隊在各類探測器上工作著.如今最高靈敏度的當屬位于美國南達科塔州立德市散福德地下研究設施的大型地下氙（Large Underground Xenon-LUX）探測器，內裝370千克的液氙.2014年，LUX就已經超越了先前裝有62千克液氙的第二版XENON探測器.相比之下，由于事實上將灌注3.5公噸液氙，也就是本文開篇強調介紹的氙一噸探測器將會一躍領先，自2016年春天開始獲取數據的時候，它應當比LUX靈敏一百倍.這將是一個極大幅度的升級實驗，本應引發科學家們的熱切期待.

然而物理學家們對氙一噸探測器前景卻深感憂慮.他們的主要擔心是，位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）在長達6年的運行中并未找到關于超對稱性的任何證據，而超對稱性恰恰是WIMP理論模型的根基所在.相對于“實驗運行6年無果”不利局面，依然讓人們稍有繼續堅持等待的空間是，直到去年LHC僅在其設計指標能量的一半上運行.但是盡管如此，芝加哥大學實驗人員Juan Collar還是相當不樂觀:“壓倒一切的權威且完全無法改變和左右的事實是，源自大型強子對撞機的粒子實驗數據沒有顯示任何超對稱性的蛛絲馬跡”.

為了盡一切可能規避賭注風險，從事暗物質粒子搜索的研究者們正著手建造更大更靈敏的探測器.比如說，氙一噸（XENON1T）的設計可以使其在兩年之內被擴建為氙n噸（XENONn T），它將能充灌7.5公噸的液氙.LUX上的研究者們正在建造一個被稱為LZ的探測器，它應當可以灌注10公噸的液氙，有望能于2019年正式上線.

在前景極不明朗、暗物質性質神秘和實驗設備昂貴的情形下，繼續WIMP的實驗搜索將面臨說服同行和獲取經費支持的巨大困難.物理學家們就直率地稱，一味追求更大WIMP探測器的驅動力絕不可能永無休止地持續下去.比氙一噸靈敏100倍的探測器則可能會受到由中微子所引起的干擾，源自太陽和其他來源的中微子流將開始在探測器中生成引起混亂的類似WIMP的信號.物理學家們宣稱，撞到這個中微子的背景噪聲就標志著這條探索WIMP之路的南墻.

歐洲的物理學家們已經正在計劃直逼至此極限.瑞士蘇黎世大學的實驗人員、XENON團隊成員Laura Baudis正在領導規劃DARWIN，它也是一個將可能坐落于Gran Sasso的、盛載50噸液氙的探測器.Baudis希望DARWIN能于2020年著手建造.

其他物理學家們對此項目卻似乎不甚熱心了.來自印第安納州西拉法耶特普渡大學的一位XENON團隊成員Rafael Lang說:““氙一噸”之后所要做的事情就是拿把掃帚清理，確保沒有漏過所有犄角旮旯里的任何東西”.芝加哥大學的Collar則說，“我不知道還會有多少人可能有興趣為這個項目工作.我擔保我肯定不愿意了”

但是Baudis特別強調說，DARWIN還將可能進行中微子物理的關鍵實驗.她說，“我不會將之僅僅用于填封搜尋WIMP的縫隙空間”.該探測器也可以用于探測一個假想的核衰變被稱之為無中微子的雙β衰變，這個衰變過程將可能證明中微子恰是它自己的反粒子.它也能夠以高精確度測量太陽的中微子譜.

現在，讓我們回顧本文開篇提到的氙一噸實驗，一起來聽聽實驗人員的聲音.美國哥倫比亞大學實驗物理學家、XENON團隊領導人Elena Aprile說，新探測器確實真有機會捕捉到WIMP:“WIMP沒準兒馬上就會在某個犄角旮旯里被成功發現”；但她隨即補充道，“我們沒有把握是1噸亦或甚至是10噸的氙才夠用，以致于真能看到點什么，從這個意義上講我們大概正在逐漸喪失信念.”就物理學家們的理論猜測而言，暗物質粒子還有眾多可能的候選體.然而，許多其他提議的暗物質粒子卻缺少WIMP奇跡那樣的與已知物理的某種可能聯系.Aprile更直言道，這一局面令人極難判斷還要發展哪種類型的暗物質探測實驗，“各種想法數不勝數”.若WIMP再不盡早露頭現身，暗物質捕獵者們也許全然不知道接下來該搜索什么了.

其他的暗物質研究人員們與她一樣憂心忡忡.幾年前，當時最大的WIMP探測器還是幾千克重的時候，絕大部分人覺得一噸氙的實驗要么就能發現WIMP，要么對此概念一劍封喉.但是好幾代逐漸增大的液氙探測器都不幸鎩羽而歸，面對這樣不能回避的實驗局面，物理學家們正在重新思考那些支持WIMP的理論假設和依據以致怎樣才或許有可能找到它們甚至必要時另辟蹊徑.有宇宙學家描述得非常形象生動.美國伊利諾伊州芝加哥大學的一位理論家Rocky Kolb把捕獵WIMP比喻為一場美式橄欖球比賽，他說:“這是生死存亡的危機時刻.我們已經到了下半場，也許是到了最后四分之一賽段，然而我們還是沒有得分.”

盡管研究者們正在操作運行著若干更大型的探測器，并同時又在積極規劃最終可能找到WIMP的探測器.然而現在即便是最熱切渴望捕獲到暗物質的狩獵者們也完全沒有把握還是否真值得一味追求巨型探測器了.

眾所周知，科學家們的天性就是探索未知.最新的報道，2016年6月底中國的粒子和天體物理氙探測器PandaX項目二期已經在四川省錦屏山地下2400米的實驗室試運行.PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”的英文字頭縮寫，由上海交通大學牽頭組織.據稱，“PandaX項目二期試運行的數據正逼近目前國際領先的美國LUX實驗”. PandaX項目目前已進入二期正式的數據獲取階段，其“采集一年的有效數據，預期的靈敏度將遠好于美國的LUX實驗當前的結果”.近年來在中國公眾媒體中流行的PandaX項目“正處在發現暗物質的邊緣”的說法能否真的使得PandaX二期液氙裝置實驗在搜索假想的暗物質粒子WIMP的路途中峰回路轉、柳暗花明，讓我們大家在今后幾年內竦耳傾首、拭目以待.

（呼延即墨）

呼延即墨.美國《科學》雜志發文稱追獵WIMP暗物質前景堪憂［J］.物理與工程，2016，26（4）:118-119.