物理学家正在制定一项计划，给予一种流行但难以捉摸的暗物质候选者最后一次展现自己的机会。几十年来，物理学家一直假设弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 是暗物质的最有力候选者——暗物质是构成宇宙质量 85% 的神秘物质。但多项实验未能找到 WIMP 的证据，这意味着，如果它们存在，它们的特性与最初预测的不同。现在，研究人员正在努力建造新一代超灵敏探测器——或一个“终极”探测器——这将使粒子无处藏身。
新泽西州普林斯顿大学的物理学家玛丽安杰拉·利桑蒂说：“在下一代探测器运行后，WIMP 假设将面临真正的清算。”
物理学家长期以来预测，宇宙中弥漫着一种看不见的物质，它有质量但不与光相互作用。暗物质的引力效应可以解释为什么旋转星系不会自行撕裂，以及早期宇宙微波“余辉”中看到的参差不齐的图案。WIMP 在 20 世纪 80 年代成为暗物质的热门候选者。通常预测它们比质子重 1-1,000 倍，并且仅通过弱核力（负责放射性衰变）或更弱的力与物质发生微弱的相互作用。
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超冷氙
在未来几个月内，位于美国、意大利和中国的三个现有地下探测器将开始运行，这些探测器通过寻找超冷氙容器中的相互作用来搜索暗物质粒子。这些探测器使用十多年来磨练的方法，将观察当原子核因与暗物质粒子相互作用而反冲时发出的指示性闪光。
物理学家希望这些实验——或使用锗和氩等材料的竞争对手 WIMP 探测器——将首次直接探测到暗物质。但如果这种情况没有发生，氙研究人员已经在设计他们的终极 WIMP 探测器。这些实验可能是同类实验的最后一代，因为它们将非常灵敏，以至于它们将达到“中微子本底”——一个自然极限，超过这个极限，暗物质与氙核的相互作用将非常少，以至于其探测将被中微子所掩盖，中微子几乎不与物质相互作用，但每秒以万亿计的数量降落在地球上。“不弥补这个差距有点疯狂，”瑞士苏黎世大学的物理学家劳拉·鲍迪斯说。“后代可能会问我们，你们为什么不这样做？”
这些努力中最先进的是一项名为 DARWIN 的计划实验。该探测器估计耗资 1 亿至 1.5 亿欧元（1.16 亿至 1.5 亿美元），由国际 XENON 合作组织开发，该组织运行着今年启动的 3 个实验之一——位于罗马附近 Gran Sasso 国家实验室的一个名为 XENONnT 的 6 吨探测器。DARWIN 将包含近十倍于此体积的氙。合作组织的成员从多个资助机构获得拨款，用于开发探测器技术，包括将在 DARWIN 更大尺度上工作的精确探测技术，XENON 的主要成员和 DARWIN 的共同发言人鲍迪斯说。
全球实验
该项目也列入瑞士未来科学基础设施国家路线图，德国研究部已发布专门针对 DARWIN 相关研究的资助呼吁；这些步骤表明，这些国家将来可能会进一步注资。尽管 DARWIN 尚未正式确定所在地，但它最终可能会在 Gran Sasso 安家落户。今年 4 月，该实验室正式邀请合作组织在 2021 年底前提交概念设计报告。“它非常清楚地告诉我们，实验室非常有兴趣主办这样的实验，”德国弗莱堡大学的物理学家、共同发言人马克·舒曼说。该团队希望在 2026 年开始采集数据。
尽管 DARWIN 目前由 XENON 合作组织领导，但鲍迪斯希望中国同行（今年正在启动一项名为 PandaX-4t 的实验）或参与美国氙实验 Lux-Zeppelin 的团队可能会加入他们，共同建造一个“终极”探测器。这些团队也考虑过建造能够将他们带到中微子本底的实验，但“目标当然是拥有一个大型全球氙基暗物质实验”，鲍迪斯说。
物理学家可能别无选择，只能联合起来，因为需要大量的氙。由于从空气中提取氙需要耗费大量能源，并且来自电子、照明和航天工业的竞争需求，这种稀有气体难以大量获得。一公斤的价格可能超过 2,500 美元。达尔文的 50 吨将接近世界年产量约 70 吨，这意味着——即使所有 3 个现有探测器合并其 25 吨——未来的实验也需要在几年内分批购买剩余的氙。“我们现在就必须非常仔细地为此做好计划，”鲍迪斯说。
使用氩气寻找暗物质的类似实验的研究人员也希望建造一个探测器以达到中微子本底。一项名为 ARGO 的 300 吨实验可能会在 2029 年左右开始运行，并且可以确认 DARWIN 看到的任何信号。
为什么选择 WIMP？
WIMP 一直是数十个实验的焦点，因为它们的存在有强有力的理论依据。它们不仅解释了星系为何像现在这样运动，而且它们的存在也符合粒子物理学理论。一组被称为超对称性的理论，在 20 世纪 70 年代被设计出来，以填补物理学家基本粒子及其相互作用的标准模型中的漏洞，预测了一种类似 WIMP 的粒子。当粒子物理学家模拟早期宇宙时，他们发现具有类似 WIMP 特性的粒子会在相互作用的热汤中幸存下来，数量刚好与今天观察到的暗物质丰度相匹配。
但来自直接暗物质探测器和大型强子对撞机等粒子加速器的零结果意味着，如果 WIMP 存在，那么它们与物质相互作用的可能性或它们的质量必须处于最初预测的最低端。未能探测到 WIMP 已导致物理学界“暂停并反思”它们的地位，俄勒冈大学尤金分校的物理学家田田·于说。包括于在内的许多物理学界人士现在正在寻找其他暗物质候选者，包括通过更小、更便宜的实验。
于说，尽管如此，WIMP 在理论上仍然足够有吸引力，可以继续进行长达数十年的搜寻。DARWIN 团队强调，其超灵敏探测器将有无数用途——包括解决中微子物理学中的紧迫问题，鲍迪斯说。DARWIN 可以帮助解决的一个谜团是中微子是否也是它们自身的反粒子。
舒曼说，无论是单个实验还是多个实验，“我敢肯定，会建造一个类似 DARWIN 的探测器。”
本文经许可转载，最初于 2020 年 10 月 2 日首次发表。