暗物质直接搜索的新结果：仍旧空无一物
暗物质堪称现在天文学以及基础物理学排行前几位的头疼问题之一。如果现有引力理论无误，那么这种难以捉摸的粒子理应无处不在，构成了宇宙中几乎85%的物质。虽说近年来各路间接搜寻多少报告称找到了暗物质存在或明显或争议颇多的线索，但灵敏度最高的一项暗物质粒子直接探测实验却在不久之前更新了进展：像三年前的那次一样，最受青睐的暗物质候选体——弱相互作用大质量粒子（WIMP）还是渺无踪影。
这台位于美国南达科他州霍姆斯塔克（Homestake）金矿废弃矿井中的实验装置名叫大型地下氙元素探测器（LUX），它的主体部分是一只高约2米多、宽不到1米的十二边形钛金属罐子，内里灌有368千克的液态氙，于2012年7月安装到现在的选址——桑福德（Sanford）地下实验室距离地表1.5千米的4850层。以地壳为屏障，宇宙线中的μ子污染在这里被降低到地表的107分之一；而罐体之外又以十余万升的去离子化纯净水进一步屏蔽周边的环境辐射，这样才有捕获WIMP粒子与核子相互作用时产生的信号。
安装在屏蔽水罐内部的LUX罐体。（图片提供：C. H. Faham/LUX Collaboration）
氙本身就是闪烁体，当氙与入射粒子发生相互作用时，其产生的光子数量是与反应能量成正比的。根据现有理论，当WIMP与原子核迎头相撞时，有很低的可能性发生强相互作用，并释放出光辐射。LUX之所以选择了冷却到零下100多摄氏度的纯净液氙作为反应介质，是因为理论上说，引起WIMP发生作用的微分截面与原子序数的平方成正比，因此原子序数54的氙在反应率上要优于序数分别为18和32的氩或锗。而且液氙易于提纯，其同位素组成又拥有奇偶各半的特性，尤其适合探测自旋敏感的相互作用。LUX在罐体上下都设置了光电倍增管阵列，其外又施以电场，构成了一间双相时间投影室。这样一旦发生暗物质与液氙中的原子核的相互作用，作用点释放的光子会被上下光电管阵列记录下来；同时反应过程中释放的带电粒子（如电子）也会在环境电场的驱使下向罐顶移动，抵达液氙的表层，在这里让氙汽化并被更强的电场加速，导致电致发光。通过光电管对两个光信号的反应，即可还原出作用点的位置以及反应的能量；两次发光的强度之比可用于判定核子或电子的反冲，只有前者中能量不足100 keV的那些才有可能是WIMP相互作用的产物；而所谓双相，就是指参与反应的氙元素呈气液两态。
一次WIMP作用在LUX探测器中引发的事件示意，其中S1与S2分别指反应本身以及随后的电致发光产生的光信号。（图片提供：David Malling and Carlos Faham）
就在2013年秋天，LUX合作组公布了探测器最初三个月运行的结果——零探测，这等于是否决了同年早些时候低温暗物质搜索实验（CDMS）的疑似探测，因为如果后者的探测属实，那么LUX在这几个月里理应以更高的灵敏度找到超过1500个反应事件。由此带来的结论是，WIMP粒子就算存在，它与普通物质的作用概率也极低。当然，CDMS以及其他探测器的可疑事例要么置信度不高，要么起源可疑，关于暗物质，尤其是WIMP的存在性及其特性的争论仍在继续。
2014年9月起，LUX又开始了为时332天的新一轮运行，以期达到更高的灵敏度。上月下旬，在英国召开的2016年暗物质认证会议上，LUX合作组公布了最新的结果——又是一无所获，更确切地说，是探测器所遇事例均可用背景污染来很好地解释。这既让人略有失落，但结合之前记录屡被刷新WIMP粒子却不肯展露真身的经历，这样的结果似乎也显得不那么意外。
LUX本次探测结果对暗物质模型的限制与之前结果的比较，图中横轴代表WIMP粒子的质量，纵轴表示WIMP与原子核发生相互作用的反应截面。图中曲线皆为上限，其中黑色粗线就是LUX最新的结果。只有位于上限之下的粒子质量/作用截面组合才是可能的。
不过虽然这次LUX为期将近1年的探测将80 GeV之上的灵敏度提升到了之前的4倍，甚至超出了设计预期，但不得不说的是，这距离完全覆盖约束最小超对称标准模型（SUSY CMSSM）理论框架预言出的WIMP粒子允许参数范围还有些远。而且虽然各路WIMP粒子探测器都在数GeV的质量上给出了对反应截面最紧凑的限制，SUSY CMSSM预言的暗物质粒子允许质量却是在1000 GeV左右的较窄范围，而相应的允许作用截面倒是分布甚广，从数zb到百分之一zb皆有可能，甚至上图中的PandaX 2015与DarkSide-50 2015LUX两条限制压根就没有挨到理论预言区域的边缘，而新消息也只是将这个范围缩窄了一些。所以在探测WIMP粒子的路上，至今也还是革命尚未成功，同志仍需努力。
预计于明年开工、2020年投入使用的LUX接替者——LUX-ZEPLIN（LZ）就是仍需努力的一个代表。这台即将迎接最终审批流程的探测器可以看作是LUX的放大版，其灌有7吨液氙的罐体将大大提升WIMP与原子核的作用机遇（如果WIMP存在的话），达到百倍于LUX的灵敏度，最终涵盖理论预言的WIMP参数范围，敲定这种奇特粒子的特性，就像数十年前霍姆斯塔克金矿原始的中微子探测器开启一样创立有一个里程碑。当然，如果连LZ都探测不到WIMP的踪迹，那理论家恐怕就真的要抛弃WIMP之说而转投其他了。
LZ实验装置的设计图，其中右下方是液氙罐所在。（图片提供：Matt Hoff/Berkeley Lab）
另外，LUX实验虽然主要目的是寻找WIMP，但可能还能够用于限制轴子等其他的暗物质候选体，据说日后的细化分析会针对这一点作深入讨论。另外值得一提的是，源自太阳上8B同位素衰变的中微子与氙原子核的散射产生的信号也落在在当前WIMP允许区间内，距离这次LUX达到的灵敏度只差一点点，不过未来的LZ应付它绰绰有余。这都应该算是WIMP研究的无心插柳之利了。
