作者  Adrian Cho

翻譯  曹則賢*

2016年3月，在意大利亞平寧山最高峰巨巖峰（Gran Sasso d’Italia）之下1.4公里深處的洞穴實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，物理學(xué)家開始向一個(gè)圓柱形罐子注入液氙——一種密度約為水密度三倍的冷物質(zhì)。此一高寬皆約一米的罐子將成為一噸氙探測器（XENON1T）的核心，該探測器是目前用于搜尋大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMP)的最大探測器。WIMP 是設(shè)想中的構(gòu)成神秘暗物質(zhì)的粒子。暗物質(zhì)充滿我們的星系并通過引力將之緊緊聚攏在一起。但是，此時(shí)盡管XENON1T探測器超越了物理學(xué)家過去30年中搜尋WIMP（所遇到）的關(guān)鍵尺寸閾值，研究者們卻開始懷疑起WIMP這個(gè)概念了。

芝加哥大學(xué)的理論物理學(xué)家Rocky Kolb把WIMP探索比作一場橄欖球賽，他說：“已到了生死存亡關(guān)頭。比賽已進(jìn)行到了下半場，或許是到了最后1/4時(shí)段，可我們還沒得分?！备鐐惐葋喆髮W(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、XENON 團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人 Elena Aprile 則宣稱新探測器確實(shí)大有機(jī)會發(fā)現(xiàn)WIMP，“WIMP也許就在不遠(yuǎn)的拐彎處”。但是，她又補(bǔ)充道，“我們不敢肯定是否1噸還是10噸的氙才夠用，在這個(gè)意義上說我們也許正在失去信心?！?/p>

其他的暗物質(zhì)研究者表達(dá)了與她同樣的關(guān)切。幾年前，在最大的WIMP探測器還只是幾公斤重的時(shí)候，大多數(shù)人認(rèn)為（使用）一噸氙的實(shí)驗(yàn)要么能發(fā)現(xiàn) WIMP，要么會對這個(gè)想法來個(gè)了斷。但是一代一代越來越大的探測器都了無結(jié)果，而物理學(xué)家們在重新思考指向 WIMP粒子存在的那些說辭以及如何才能發(fā)現(xiàn)WIMP。幾個(gè)更大的探測器正在建造中，同時(shí)研究者們還在規(guī)劃終極WIMP探測器?？墒?，哪怕是最急切的暗物質(zhì)獵手也不確定是否值得建造巨型探測器。

用于搜尋源自WIMP與氙原子核碰撞之光閃爍的一簇光探測器。

WIMP的概念可回溯到上世紀(jì)80年代初期。1983年在瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的粒子物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了傳遞所謂弱相互作用的粒子：飛逝的W-玻色子和Z-玻色子。那時(shí)候理論物理學(xué)家認(rèn)識到，如果玻色子具有相似質(zhì)量（幾百倍的質(zhì)子質(zhì)量）的不帶電荷的表兄弟，則足夠多的此類重而冷漠的粒子將在宇宙大爆炸后四處漂泊，構(gòu)成其引力足以把星系和別的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)聚攏在一起的不可見的質(zhì)量。WIMP的概念誕生了。

受 “WIMP奇跡”的啟發(fā)，理論家們認(rèn)識到超對稱的概念也預(yù)言WIMP的存在。超對稱性設(shè)想每一種已知粒子都有一個(gè)質(zhì)量更大但具有不同自旋的伙伴。在多種超對稱版本中，最輕的超伙伴是穩(wěn)定的、中性的，且如同 WIMP那樣只參與弱相互作用。此一（同超對稱理論的）聯(lián)系使得 WIMP成了暗物質(zhì)的兩個(gè)最可能候選者之一（另一個(gè)是軸子，源自強(qiáng)作用的一種假想粒子。參見Science, 1November 2013, p. 552）。

物理學(xué)家設(shè)想了三種WIMP 探測方式(參見Science, 6 July 2007, p. 32)。首先，他們希望在 WIMP 撞入如XENON1T那樣的置于地下從而免于其它常規(guī)射線干擾的超靈敏探測器中的原子核時(shí)，直接鎖定它們。第二，他們希望在世界最大的原子粉碎者，即CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC），上直接產(chǎn)生 WIMP 和其它超對稱粒子。第三，他們希望發(fā)現(xiàn)傳說中的我們星系中心的WIMP在互相碰撞和湮滅過程中所發(fā)出的輻射。超對稱理論預(yù)言存在這些過程。

論及起地下探測器，那是越大越好，因?yàn)樵绞驱嫶蟮膶?shí)驗(yàn)（裝置）越是能提供更多讓W(xué)IMP去撞擊的原子核。在整個(gè)世界范圍內(nèi)，十幾支隊(duì)伍在各種類型的探測器上正工作著。當(dāng)前的最高靈敏度屬于在美國南達(dá)科他州桑福德地下探測裝置的大型地下氙（LUX）探測器，其中裝有370公斤的液氙。2014年，LUX越過了盛有62公斤液氙的第二代XENON探測器。實(shí)際上會注入3.5噸液氙的XENON1T探測器將成為排頭兵，當(dāng)它今年春開始記錄數(shù)據(jù)的時(shí)候，預(yù)期會比LUX靈敏一百倍。

但是物理學(xué)家們對其前景感到很焦慮。他們的主要關(guān)切是，LHC經(jīng)過6年運(yùn)行沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于超對稱的任何證據(jù)，那可是WIMP模型的基礎(chǔ)呀。也許還不算為時(shí)已晚，因?yàn)橹钡饺ツ闘HC只是在半能量（指標(biāo)）上運(yùn)行。然而，如芝加哥大學(xué)物理學(xué)家Juan Collar所言： “明顯的事實(shí)是，LHC的產(chǎn)出中沒有任何關(guān)于超對稱的跡象?！?/p>

為了給他們的賭局護(hù)盤，暗物質(zhì)研究者們在忙著建造更大的探測器。XENON1T的設(shè)計(jì)使其可以在兩年內(nèi)被擴(kuò)展為XENONnT，其將能盛裝7.5噸的液氙。 LUX上的研究者正在建造被稱為LZ的探測器，其能裝入10噸的液氙，將于2019年投入使用。

物理學(xué)家斷言，追逐更大的WIMP探測器的競賽不能無休止地進(jìn)行下去。比XENON1T靈敏100倍的探測器將會遭受來自中微子的干擾。來自太陽或者其它源頭的中微子會在探測器中造成引起混亂的類WIMP信號。觸及中微子（所造成的信號）背底標(biāo)志著路的盡頭。

搜捕 WIMP 之路的終結(jié)

當(dāng)探測器靈敏度逐漸增高到能探測來自中微子的干擾時(shí)，對WIMP的跟蹤搜尋就將可能終結(jié)。這些探測器已經(jīng)排除了超對稱性WIMP的若干范圍。

歐洲的物理學(xué)家們早已在計(jì)劃推進(jìn)至此一極限。瑞士蘇黎世大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、XENON團(tuán)隊(duì)成員Laura Bandis在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)DARWIN計(jì)劃，DARWIN是一個(gè)將安放在巨巖峰地下的、盛有50噸液氙的探測器，造價(jià)可能高達(dá)六千萬美元。 Bandis說她的團(tuán)隊(duì)希望2020年能開始建造。

其它的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)卻不是那么熱心。來自印第安納州普渡大學(xué)的XENON成員Rafael Lang說：“[XENON1t]之后的事情是仔細(xì)檢查，確信沒有漏過任何角落?！敝ゼ痈绱髮W(xué)的Collar則說：“我不知道有多少人會對此有興趣。我知道我肯定是不會的?！?/p>

但是Bandis 強(qiáng)調(diào)DARWIN 將也會開展中微子物理的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。她說 “我不會將之只用于填補(bǔ)WIMP (探測器)的空隙?！痹撎綔y器也可以用于探測假想的無中微子雙β衰變，此一核衰變過程將證明中微子是其自身的反粒子。它還可以獲得高精度的太陽中微子譜。

與此同時(shí)，一些實(shí)驗(yàn)家認(rèn)為是探索其它暗物質(zhì)候選者的時(shí)候了。 Collar正在建造一個(gè)小的探測器，擬用于探測更屬推測性的大質(zhì)量強(qiáng)相互作用粒子。強(qiáng)相互作用粒子與普通物質(zhì)之間的作用太強(qiáng)，因而無法到達(dá)地下探測器。但是，許多其它建議的暗物質(zhì)候選粒子缺少WIMP奇跡那樣的與已知物理的聯(lián)系。Aprile坦言，很難知道要構(gòu)造哪類實(shí)驗(yàn)， “想法太多了”。如果WIMP 不及早現(xiàn)身，暗物質(zhì)搜尋者們也許不知道接下來該去找什么了。

* 譯者為中國科學(xué)院物理研究所研究員。

原文為Crunch time for dark matter hunt—Little confidence that biggest WIMP detector ever will find hypothesized particles, Science 351,1376-1377(2016)