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2013-11-5

暗物质模型遭受迎头两击

归档于: 天文空间科学, 译文快递 @ 10:31 pm

Monica Young
译自SkyandTelescope.com,2013年10月30日

新近的两项实验为潜伏在宇宙中难以捉摸又不可见的物质最被看好的物理模型提出了限制。

这两周对于WIMP来说是坏日子。

弱相互作用大质量粒子(WIMP)是暗物质最佳候选对象之一,暗物质是占据宇宙中物质总量84%的不可见成分。但是旨在探寻此类难以捉摸的粒子的两项新实验都一无所得,让先前有希望的结果变得十分可疑。

 

WIMP-y的暗物质线索

根据定义可知,暗物质并不与光线发生作用,因此它不仅是暗的,而且还是透明的。虽然我们知道它会与引力发生作用,这种作用只会给出暗物质存在的间接证据,如影响星系的自转。

但是WIMP理论认为,暗物质粒子同样也会与弱力发生作用。弱力是决定亚原子层次本性的基本作用力。因此WIMP粒子可能会很偶然地撞入重核中,留下一个可以探测的信号。直接撞击的概率非常非常低,不过用致冷硅片、锗片或氙元素堆积而成的地下探测器最有可能取得成功。

大型地下氙元素探测器(LUX)是一个6层的钛罐,其中灌有1/3吨液态氙。如果WIMP与氙核发生了作用,它们会发出微弱的闪光,可以被探测器顶部和底部安装的光电倍增管阵列探测到。但是到现在为止,LUX没有看到任何类似WIMP的事件。(图片提供:Matthew Kapust;图片版权:South Dakota Science and Technology Authority)

几架探测器曾宣称过看到了WIMP相互作用的迹象(但并没有实际探测到,否则就可以直飞斯德哥尔摩了)。其中的一些,如CDMS-II、CRESST以及CoGeNT看到了WIMP与质量在10 GeV附近的粒子发生作用的可能信号,这样的信号已经足够重要,可以对外公布了,但是在统计上还不是那么的显著,不算是真正的探测。另一架探测器也就是DAMA/LIBRA看到过一次更强的信号,不过并非所有人都相信它是来自WIMP的。

但是并非所有的实验都看到了暗物质的正信号。XENON-100探测器由于没有看到任何WIMP的相互作用,已经对先前的结果提出了一些质疑。但是物理学家并不是不能在理论上解释这样的结果。举例来说,一些人认为,WIMP与CDMS-II中硅原子的相互作用方式可能与XENON-100中的氙原子不尽相同。

 

零结果

现在一项名为LUX(大型地下氙元素探测器即Large Underground Xenon的缩写)可能堵死了这条路。布朗大学的理查德·盖茨克尔(Richard Gaitskell)与耶鲁大学的丹·麦肯锡(Dan McKinsey)30日宣布了LUX最初运转85天的结果。新的探测器比XENON-100要灵敏20倍。研究者指出,假设CDMS-II的探测结果是真实的,那么LUX充斥着液态氙的6英尺高钛罐应该会与大约1550个WIMP粒子发生作用。

而实际上是0个。

盖茨克尔说:“看起来(CDMS-II与LUX)是不相容的。”这次认为WIMP粒子与不同元素相互作用的方式不同也不管用了。“LUX的结果直接与DAMA、GoGeNT以及CRESST相冲突。”

(下图说明了一切——让人吃惊的是,图中的蓝线是LUX给出的上限,它位于先前的实验所有探测结果之下,这些结果以彩色斑块表示。)

旨在寻找WIMP粒子的直接探测实验结果,图中X轴表示粒子质量,Y轴表示其与普通物质发生相互作用的概率。除紫线外所有的结果都标注以实验名称,紫线是ZEPLIN-III实验的结果。斑块表示某实验看到WIMP相互作用迹象的区域,而线条表示没有探测到WIMP的实验给出的上限。LUX实验是最新的一个,蓝线表示LUX数据给出的上限,它排除了其上方所有的参数空间。大图请点击(图片提供:Jeremy Chapman)

费米国家加速器实验室的暗物质专家丹·胡珀(Dan Hooper)并没有参与LUX的研究,他同意LUX的结论:“对于我来说,考虑LUX的新结果,公平地说CoGeNT与CDMS数据中的暗物质相互作用看起来是不太可能的。”

他又补充道:“如果我说我只是有一点点失望,那我就是在撒谎。”

如果LUX的结果排除了所有先前的探测,那么其他探测器看到的都是什么东西?盖茨克尔说,对于CDMS-II、CoGeNT以及CRESST给出的勉强结论来说,很难相信这些边缘数据。“我认为不走运的是,我们看到的是一系列局部的结论和实验,他们给出的报告就处在探测能力的极限上。”

但是DAMA的结果无论如何都算不上是边缘——相反,几乎无法将其结论解释为统计上的偶然事件。盖茨克尔解释道:“毫无疑问的是,DAMA测量到了一些东西。这里的挑战就是确定它是否起源于天体物理过程,或者说它只是更平凡的人类起源,要么干脆只是地球上的事件导致的。”

虽然LUX看起来与迄今所见的直接探测线索相背,盖茨克尔提醒说:“我们绝对不能说绝对不能。理论家是非常有创造性的。”

哪怕先前所有的WIMP迹象都是错的,我们还是要检验大量更多的模型,给出的概率最低在LUX相互作用灵敏度之下1000倍。盖茨克尔不顾一切地说:“我们还是会继续搜索一阵子WIMP。它们仍然是最受钟爱的猎物。”

 

失落的伽玛射线

直接探测像躲避瘟疫般躲避普通物质的狡猾粒子只能算得上是困难。一些科学家选择了更加间接的手法。标准WIMP模型认为,这些粒子是它们自身的反粒子,因此如果WIMP粒子在深空中遭遇同类,它们就会释放出一阵伽玛射线,其能量相当于单个粒子的质量。

NASA的费米伽玛射线空间望远镜在搜寻着天空,寻找湮灭的踪迹,其关注的焦点是银河系附近的矮星系。天文学家认为,这些星系中暗物质数量要比普通物质更多,湮灭过程会让它们成为像样的伽玛射线源。但是费米-LAT合作小组最近向《物理学评论D》杂志提交了一篇研究论文,指出在25个邻近矮星系中没有发现明显的伽玛射线辐射。

图片提供:NASA

与LUX不同,费米的观测并不与CDMS-II以及其他实验给出的线索相背,至少现在如此。这是由于我们并不清楚WIMP粒子彼此相撞的概率以及WIMP粒子与普通粒子相撞的概率之间的关系。但是随着费米望远镜继续采集伽玛射线观测数据,情况会有所转变。如果暗物质确实由WIMP组成,小组预期很快就会看到信号了。

 

译文登载在http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-9845-1.htm

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