暗物质研究人员依然茫然,地下搜索结果尚不确定

埋藏在矿井深处的探测器记录到两个潜在的暗物质信号,但其中一个或两个都可能是背景噪声

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周四,一项备受期待的关于暗物质可能信号的公告为物理学界提供了一些素材,但未能产生一些人预测的轰动性结果。在斯坦福大学的网络直播演讲中,南卫理公会大学的粒子物理学家乔迪·库利介绍了低温暗物质搜索2 (CDMS-2)的最新结果,这是一系列埋藏在明尼苏达州北部一座废弃铁矿深处的探测器。(第一个CDMS实验位于斯坦福,更靠近地表。)她说,CDMS-2探测到两个符合暗物质粒子通过特征的信号,但其他可能性无法排除。

暗物质被认为约占宇宙的四分之一但从未被直接观测到。在目前对宇宙组成的估计中,普通原子(例如我们探测到的可见宇宙)仅贡献约5%;宇宙的大部分以所谓的暗能量形式存在,宇宙在这种能量的影响下正在加速膨胀。几十年来,暗物质的存在一直是从其对星系团等大规模结构的引力效应中推断出来的,但由于它与普通物质的相互作用不多,并且不发射或吸收光——因此被称为“暗”物质——因此到目前为止,直接观测它仍然是不可能的。

许多暗物质模型认为,这种神秘物质以弱相互作用重粒子或 WIMP 的形式存在——也就是说,除了引力外,还通过弱核力相互作用的粒子。(弱力仅在非常短的距离内起作用,是自然界中负责放射性衰变等现象的力。)CDMS-2 位于明尼苏达州苏丹地下实验室地下 780 米处,正在寻找此类 WIMP。该实验监测锗探测器,将其冷却到绝对零度以上几分之一度,以寻找 WIMP 与锗核碰撞产生的细微振动和电离效应。

探测器通过多层绝缘层屏蔽,免受污染性辐射的影响。其中一层是 4.5 厘米厚的铅从一艘有数百年历史的法国沉船的压舱物中回收,这艘船的年代确保了来自不稳定的铅同位素衰变的大部分潜在污染性辐射早已消失。CDMS-2 的地下位置进一步将实验与宇宙射线和其他背景辐射源隔绝开来。

即便如此,库利和她的同事计算出,在获取新公布的 CDMS-2 数据集(运行时间为 2007 年和 2008 年)的过程中,探测器预计会接收到大约 0.5 个模拟 WIMP 的背景事件。即使更谨慎地看待背景源,CDMS 团队也得出了 0.8 个事件的估计背景贡献。令人兴奋的是,探测器记录到两个看起来像 WIMP 的事件——比背景噪声预期的要多。更重要的是,库利指出,“这两个事件发生在探测器性能几乎理想的时间段。” 并且它们是在不同月份由不同的探测器记录的。

尽管如此,CDMS 合作组织警告说,看到两个背景事件的可能性约为 25%。库利说:“我们的结果不能被解释为 WIMP 相互作用的有力证据。” 不过,她补充说,该团队“也不能将两者都排除为信号”。在 CDMS 团队周四发布的成果摘要(pdf)中,研究人员指出,探测器需要记录五个事件才能为暗物质探测提供确凿的证据。

有些人无疑会觉得 CDMS-2 的公告令人失望。自粒子理论博客Resonaances 于 12 月 7 日不准确地报道 CDMS 合作组织将在《自然》杂志上发表其结果以来,谣言在博客圈中沸沸扬扬,这将暗示一项在粒子物理学界之外具有广泛吸引力和接受度的发现。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)

合作组织指出,SuperCDMS 将涉及更多探测器,因此有更多材料供 WIMP 碰撞,已经在苏丹开始成形,并可能在 2010 年夏季全面部署。对暗物质的明确直接探测是物理学界最大的奖项之一,届时可能仍然有机会获得。

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