科学家们长期以来一直怀疑一种被称为暗物质的透明物质充满了宇宙，防止我们的宇宙结构被撕裂。但是，暗物质究竟是由什么构成的仍然是一个谜。物理学家们建造了巨大的地下探测器，这些探测器已准备好探测正常物质和暗物质之间罕见的碰撞，如果后者以被称为 WIMP 的理论粒子的形式存在：弱相互作用大质量粒子。然而，经过数十年的运行，这些日益敏感的探测器尚未接收到任何暗物质信号，这导致物理学家们抛弃了许多不同版本的 WIMP 理论。
上周，研究人员宣布，他们已大幅削减了该模型提供的剩余可能性。WIMP 的质量范围可能在 1 到 100,000 吉电子伏特除以光速平方 (GeV/c2) 之间，质量单位大致相当于质子的质量。（尽管名称如此，但与一粒米或一个细菌细胞相比，WIMP 仍然非常小。）这项新研究来自Sanford 地下研究设施的 LUX-ZEPLIN (LZ) 实验，并在芝加哥和巴西圣保罗的会议上进行了展示，研究发现，如果 WIMP 存在，它们的质量应低于 9 GeV/c2——否则它们早就应该出现了。当然，暗物质可能根本不是由 WIMP 构成的，即使是，仍然有很多版本在起作用。但找到它们看起来越来越难。在较低的质量范围内，被称为中微子的粒子可以穿透正常物质，撞击探测器，模仿并淹没暗物质信号。
“由于我们尚不清楚的原因，自然界选择了一个相当具有挑战性的参数组合，”LZ 的首席研究员、布朗大学的天体物理学家理查德·盖茨克尔说。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
盖茨克尔说，他和 LZ 团队的其他成员一样，都希望该项目能找到暗物质，但没有理由相信它必须位于 WIMP 谱的较重一侧。他强调，为了确定更精确的暗物质性质理论，物理学家需要测试各种理论模型。他并没有沉浸在挫败感中，而是将最新的零结果视为研究过程的内在组成部分。“如果你假设你会得到积极的结果，那么恐怕从统计学上讲，你会失望的，”他笑着说。
德克萨斯大学奥斯汀分校的粒子物理学家、LZ 的副物理协调员斯科特·克拉维茨说，即使没有信号，当它成功排除如此广泛的暗物质候选者时，也是一项科学上的胜利。“我很高兴我们对暗物质的灵敏度如此之好，”他解释说，并强调了该团队探测器的 10 吨大小及其限制可能干扰潜在暗物质信号的背景噪声的敏锐能力。
麻省理工学院的理论物理学家特蕾西·斯拉特耶指出，这项工作“为任何实验设定了最佳限制，即使对于非经典 WIMP 且不是其最初动机一部分的暗物质情景也是如此”。她没有参与这项研究。“这是一个非常棒的结果。”
然而，与此同时，这个结果也给正在进行和未来的直接探测工作带来了压力。克拉维茨说，如果下一代设备未能发现暗物质，研究人员可能需要转换方法，并将现有探测器重新用于其他功能。
LZ 等实验使用巨大的冷液氙罐作为探测器。惰性氙核与杂散粒子之间的碰撞会产生微小的光和能量爆发——科学家可以检查这些信号以寻找暗物质。这些仪器位于地下一公里多处，以避免宇宙射线和其他能量源的干扰。但是，微小的、幽灵般的中微子粒子不会在意这些屏障，不幸的是，它们与某些类型的低质量暗物质信号几乎完全匹配。意大利拉奎拉的 XENONnT 和中国四川的 PandaX-4T 这另外两项直接探测实验，今年夏天早些时候宣布，他们发现了这些讨厌的粒子，尽管没有达到该领域“证据”或“发现”的严格统计阈值。
悉尼大学的暗物质研究员基兰·奥黑尔说，从理论上讲，如果基于氙的探测器增大 100 倍，或者实验时间延长 100 倍，它们就可以区分中微子信号和暗物质信号中的细微差别。然而，这样做将需要无法实现的资金和劳动力投入。因此，他和克拉维茨认为，物理学家最好将他们有限的时间和资金用于其他方法。但奥黑尔估计，所谓的“中微子雾”——中微子信号使暗物质无法被看见的点——至少在未来 10 到 15 年内不会扼杀研究。
暗物质研究人员还使用望远镜搜索 WIMP，探测粒子在太空中相互碰撞并“自湮灭”的迹象——这是理论预测的过程，可能会释放光。这种类型的“间接探测”通常是对直接探测工作的补充，因此不会取代基于氙的仪器。作为名为 CYGNUS 的国际合作组织的一员，奥黑尔希望帮助建造一种新型的直接探测仪器，该仪器可以识别入射粒子的天体来源，从而区分太阳中微子和潜在的暗物质候选者。但他也认为，注意力可能会进一步转移到另一种关于暗物质性质的理论上：暗物质是由轴子构成的可能性。这些假想粒子甚至比最小的 WIMP 还要轻，并且可能通过其波形的振荡来检测。（像所有粒子一样，轴子既以粒子形式存在，也以波的形式存在。）
还有一种很小的可能性，即 LZ 排除的暗物质候选者的相互作用比大多数物理学家认为的要弱得多，这意味着对该质量范围的长期研究仍然可能揭示暗物质信号。“我们已经探索了大部分最受重视的理论，但不是 90%，”克拉维茨警告说。
PandaX-4T 实验背后的竞争性直接探测工作 PandaX 的成员告诉大众科学，他们期待在其即将发表的论文中了解更多关于 LZ 工作的信息，并在该项目自己的实验中测试零发现。该团队强调，即使 9-GeV/c2 截止点成立，探测器仍有充足的探索空间。
LZ 正在进行的研究也可能证实其初步发现。零结果来自 280 天的数据收集。然而，该实验计划总共运行 1,000 天，于 2028 年结束，因此它可以再获取 720 天的信息。
9-GeV/c2 限制代表了数据分析的阈值，而不是数据收集的阈值，因此 LZ 团队还有另一堆与较低质量信号相关的数据，将在未来的工作中进行整理。“探测器的表现确实很好，这可能会使这些数据非常令人兴奋，”盖茨克尔说。