在意大利大索萨山底,在美国南达科他州的废弃金矿下,在中国四川锦屏山地下隧道里,数以吨计的液氙一直在等待与暗物质粒子进行一次“电光石火”的碰撞。但近几年来相关实验进展依旧沉寂,科学家们开始更多地考虑另一种可能性:如果暗物质粒子质量更小,相互作用更弱,无法通过碰撞探测到呢?

北京时间4月9日晚间,美国能源部费米国家实验室和华盛顿大学发表在《物理评论快报》上的一篇论文宣布,其联合运作的轴子暗物质实验(ADME)在国际上首次达到了探测暗物质理论预测模型轴子(axion)的精度要求。

《物理评论快报》是物理领域的国际顶级期刊。2016年引力波成功探测的成果,正是发表在该期刊上。

这意味着人类为捕捉暗物质粒子开辟了新的战场。目前,这个位于西雅图的实验装置公布了首批探测结果,为轴子可能隐藏的区间做出了更精确的限定。在未来几年,科学家们将启动大规模的搜寻。

“这个结果标志着我们真正启动对了对轴子的猎捕”,实验运行主管Andrew Sonnenschein表示,“如果暗物质轴子在我们搜寻的频率区间内,那找到它只是时间问题。”

实验首席科学家Leslie Rosenberg也充满信心:“技术足够了。我们不再需要奇迹了,我们只需要时间。”

看不见但感受得到的暗物质

尽管暗物质粒子参与电磁相互作用,无法被“看”到,但它们的存在切切实实地影响到了可见物质的运动,从星系到宇宙学尺度上的观测均可验证。

比如,我们所在的太阳系围绕银河系中心旋转的实际速度,明显快于基于牛顿引力定律的计算结果。这意味着,银河系中存在大量不可见的神秘物质提供了额外的引力。若非如此,太阳系早该被“甩”出去才是。

从1980年代开始,暗物质开始为主流学界所承认。暗物质粒子能产生引力,不参与电磁相互作用,这是人类对这种神秘物质的全部认知。针对更进一步的细节,科学家们提出了不同的理论预测模型,其中弱相互作用大质量粒子(WIMP)和轴子(axion)是最为主流的两种。

WIMP假设暗物质粒子参与引力和弱核力,质量相对较大。根据计算预测,每分每秒都有无数暗物质粒子穿透地球,因此,文章开头所说的几个地下WIMPs探测实验,即欧洲XENON实验、美国LUX实验和上海交通大学PandaX实验,均采用了守株待兔的策略进行直接探测。一旦WIMPs与数吨液氙原子中的一个发生了碰撞,其冲能就会转化为光电信号,被探测器中灵敏的光电管记录下来。实验室设立在千米深的地下,是为了更好地屏蔽外界的噪音。

锦屏地下实验室 四川日报 图锦屏地下实验室 四川日报 图

轴子则是在斯坦福大学物理学家Helen Quinn和Roberto Peccei的工作基础上衍生出来的假设。现任上海交通大学李政道研究所所长、2004年诺奖得主Frank Wilczek在1980年代以一种洗涤剂的名字axion命名了这种暗物质粒子的候选人,因为它可能“洗涤”人类对时间可逆性的认知。

轴子的质量非常小,可能只有电子质量的万亿分之一,相互作用也更弱,无法像WIMP那样通过碰撞探测到。不过,在强磁场下,轴子会转化为光子。光子信号被谐振腔增强后,就能被探测器“听”到。

又黑又冷的收音机

“你就想象成一个收音机吧,”ADMX实验发言人Cray Rybka表示,“我们造了个收音机来寻找一个不知道频率的电台,慢慢地边听边调频。如果频率调对了,我们就能听到。”

这台“收音机”需要造得又黑又冷,才能“听”到轴子转化成的光子。早在上个世纪,ADMX的初代探测器就已建成,但无法摆脱来自热辐射和机器自身电子器件的噪音。

降低热辐射干扰比较简单:将探测器降温至0.1开尔文(零下273.05摄氏度)左右。消除机器自身的电子器件噪音就麻烦得多。直到探测器最近用上了超导量子放大器,精度才真正达标了。

 ADMX谐振腔 ADMX项目网 图 ADMX谐振腔 ADMX项目网 图

“配置传统半导体放大器的初代实验,可能需要数百年的时间才能扫完轴子可能的质量区间。用上超导探测器后,我们扫完这些区间仅需数年。”ADMX实验发言人另一发言人Gianpaolo Carosi表示。

开辟新的战场

WIMP模型多年来一直是人类追捕暗物质最受青睐的方向。它能很好地解释宇宙的演化和暗物质的大量存在。此外,WIMP的属性完美吻合了一度极富吸引力的超对称理论。

国际上WIMP探测器的规模不断升级、灵敏度也不断提高,但千米深的地底下始终未传来佳音。2017年10月,欧洲XENON和中国PandaX在同期《物理评论快报》上发表了最新结果,依然没有带来决定性的证据。

沮丧的气氛开始蔓延。“不是说要从WIMP模型全线撤退,但确实该转移重心了。”费米实验室的物理学家Dan Hooper当时评价道。

这次ADME探测器的全新升级,或许是轴子模型“转正”路上浓墨重彩的一笔。

目前,中国的锦屏地下实验室里有两支暗物质探测团队,一支来自清华大华,一支来自上海交通大学。他们锁定的目标均为WIMP,不过在探测过程中,也能为轴子模型提出一些限制。

除了直接探测之外,科学家们还寄希望于间接探测暗物质。即暗物质本身虽不可见,但它们可能会像正常粒子一样衰变或湮灭,产生可见的物质,从而留下痕迹。美国国家航空航天局的费米空间望远镜、国际空间站中由丁肇中领导的阿尔法磁谱仪、中国科学院的“悟空”号卫星,就在太空中追踪暗物质湮灭的魅影。欧洲核子中心著名的大型强子对撞机(LHC)也在寻找类似的线索。

“悟空”号卫星“悟空”号卫星

宇宙中将近85%的物质都是暗物质。在揭晓它的庐山真面目之前,人类对宇宙的根本性认识恐怕很难再进一步。

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