科学家发现3个疑似暗物质粒子信号
2013年05月02日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
科学家发现3个疑似暗物质粒子信号
■本报实习生 段歆涔
这项研究结果的发布，多少有点像孩子发短信告知父母自己结婚了。在日前的一次会议上，物理学家利用深埋地下的超灵敏粒子探测器发现了3个疑似暗物质的粒子信号。暗物质的引力将整个银河束缚在一起并不断撞击着原子核。但是，低温暗物质搜寻计划（CDMS）的负责人并没有发布任何文章，并且强调这3个“疑似案例”还不足以被称为发现。
尽管如此，有两点原因使得这份报告引起了其他物理学家的关注。第一：三个疑似案例的发现比原先CDMS记录的案例要更清晰、更有说服力。第二：如果CDMS真的发现了暗物质，那么其发现的大质量弱相互作用粒子（WIMP）也必然会在今后一年左右被其他实验所发现。美国纽约大学理论家Neal Weiner说：“我们很快将知道WIMP是否真的存在。”
CDMS的研究者有理由保持谨慎。2009年12月，传闻他们曾发现了两例疑似WIMP的案例。尽管他们发布文章澄清没有任何发现，其他人仍将信将疑。CDMS的研究者曾通过特定的标准或者说“切割”将由机器本身产生的疑似案例筛选出去。如果该小组的标准足够严格，这所谓的两例疑似案例实际上就是由背景信号本身产生的，这使得一些物理学家批判CDMS的研究者过于草率地将它们称为疑似案例。CDMS小组成员，来自加利福尼亚州斯坦福大学的Blas Cabrera说：“上一次的经历给我们教训很深。”
这一次，CDMS的研究员对数据的处理相当低调。CDMS的实验设备位于明尼苏达州素丹地矿国家公园713米的地底深处，由被冷却到接近绝对零度（约-273摄氏度）的锗或硅的磁盘组成。为了观测到与WIMP撞击而产生的原子核反冲，研究人员通过电子脉冲搭配热脉冲的方式对机器进行监测。原先由锗的监测数据所推定的疑似案例是通过CDMS-II发现的（研究者现在使用的是SuperCDMS）。
目前的这三组疑似案例来自于2007年7月至2008年9月由CDMS-II收集的硅监测数据，并于4月13日发布在美国物理学会于丹佛召开的一次会议上。伊利诺伊州芝加哥大学物理学家Juan Collar并未参与CDMS项目，他说：“这些数据看上去很饱满，没有瑕疵。”
不过，物理学家认为目前仍然需要谨慎对待这些疑似案例。为了诠释数据，CDMS的研究者必须评估在这样一个数据集中预计平均将有多少数量的背景信号，这一数据他们计算为的0.4。综合这一数字和其他细节可以得出结论：该数据是WIMP的可能性为99.8%。但是布朗大学的Richard Gaitskell认为，如果研究者低估了背景哪怕一丝一毫的影响，研究结果便是差之毫厘，失之千里。“这就像大脑手术一般，一丁点儿的闪失便会造成不可挽回的结果。”
CDMS的研究结果显示WIMP的质量是质子的8倍，这一数据既低于理论的估计也与其他WIMP的研究结果不符。2010年，Collar和同事在位于素丹的相干锗中微子技术（CoGeNT）项目中发现了疑似低质量WIMPS的案例。2011年，在位于意大利格朗萨索国家地下实验室内，研究人员通过超导温度低温罕见事件搜索（CRESST）项目发现了类似的疑似WIMPS案例。
但是，同样在格朗萨索国家地下实验室内进行的XENON暗物质计划否定了CoGeNT项目和CRESST项目发现的信号，并引发了一场围绕着谁的测量标准更为可靠的争论。XENON项目使用的是一种充满液态氙的探测器，而氙的原子核非常重，使得该探测器对WIMP的敏感度降低。一些研究者认为XENON项目小组夸大了探测器的敏感性。另外，研究人员对CoGeNT监测到的结果重新分析后发现，绝大多数所谓的信号都是背景信号。
如果WIMP果真存在，那么其他的实验马上便能发现它们。例如，大型地下氙实验（LUX）被安置于1478米深的斯坦福地下研究设施中，今年将开始收集数据。如果WIMP存在，LUX装有350公斤冷冻液态氙的仪器必将发现上千个轻量的WIMP。Collar预测道：“今年的研究结果将决定WIMP是否存在。”
对WIMP这一概念的严格检验亦不再遥远。WIMP理念产生于粒子物理学中超对称性这一概念。该理论认为：每一种已知的粒子都有一个与其相对应的、质量更高的“超对称粒子”存在。这些“超对称粒子”中质量最轻的那些是一种稳定的、不带电的粒子，它们几乎不与普通物质相互作用——这是暗物质的特征。超对称性理论中预测这些粒子的质量是质子的上百倍，这也是粒子物理学家普遍的认知。
但是这一推论目前并没有得到证明。如果新建成的重达数吨的XENON探测器，或者其他美国待建的类似设施未能探测到WIMP的存在，那么物理学家可能不得不认可这一现实：即便WIMP真的存在，目前他们也没能力观测到。芝加哥大学理论家Lian-Tao Wang说：“这是WIMP的关键节点，对于其结果我们所有人都拭目以待。”
《中国科学报》 (2013-05-02 第3版 国际)