簡(jiǎn)訊 美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)文稱追獵WIMP 暗物質(zhì)前景堪憂

［編輯人語(yǔ)］2016年3月25日美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)文跟蹤報(bào)道液氙探測(cè)器對(duì)作為重要暗物質(zhì)候選體的弱作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的多年實(shí)驗(yàn)探測(cè)搜索歷程和前景評(píng)估。“當(dāng)液氙探測(cè)器靈敏度逐漸增高到能探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)和其它來(lái)源的中微子的背景干擾時(shí)，對(duì)假定的暗物質(zhì)粒子WIMP的跟蹤搜尋就將很可能終結(jié)”。我們?cè)谂c幾位研究者探討此話題之后，認(rèn)為非常有必要及時(shí)向讀者們介紹該文。本文有對(duì)《科學(xué)》原文的編譯摘錄，也包括我們請(qǐng)教了相關(guān)專家對(duì)該文的解釋和評(píng)論。特別建議有興趣的讀者直接閱讀《科學(xué)》英語(yǔ)原文，了解國(guó)際上用液氙探測(cè)器實(shí)驗(yàn)搜尋WIMP前沿的實(shí)際情況，有一個(gè)綜合的全局觀。鏈接地址是:Science 25 Mar 2016:Vol.351，Issue 6280，pp.1376-1377（DOI:10.1126/science.351.6280.1376）.

原文標(biāo)題:Crunch time for dark matter hunt—Little confidence that biggest WIMP detector ever will find hypothesized particles

作者:Adrian Cho

譯文標(biāo)題:追獵暗物質(zhì)的危機(jī)時(shí)刻——當(dāng)今最大型的弱作用大質(zhì)量粒子探測(cè)器（WIMP）最終究竟能否找到假想的粒子，人們沒(méi)有什么信心了

2016年3月在歐洲意大利半島中部的Apennine山脈最高峰Gran Sasso d’Italia之下1.4公里的地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們啟動(dòng)了往一個(gè)圓柱狀的缸罐內(nèi)灌注液氙（xenon），這是一種密度約為水密度三倍的寒冷物質(zhì)材料.這個(gè)高和寬均約為一米的缸罐正是氙一噸探測(cè)器（XENON1T）的心臟部分，“氙一噸”是迄今為止搜尋弱作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的最大實(shí)驗(yàn)探測(cè)器.它超越了物理學(xué)家們過(guò)去30年間搜尋候選暗物質(zhì)粒子WIMP的一個(gè)尺寸上的重要閾值.

神秘的暗物質(zhì)和暗能量被形象地喻為“漂浮在21世紀(jì)初物理學(xué)天空中的兩大烏云”.物理學(xué)家們對(duì)于具有一切引力性質(zhì)的暗物質(zhì)的可能粒子有很多種假設(shè)猜想，這個(gè)WIMP則是假設(shè)的暗物質(zhì)粒子大家族中的一種目前最被理論粒子物理學(xué)家所青睞的一個(gè)成員.物理學(xué)家們想象了以三種不同方式來(lái)探測(cè)WIMP（參見Science，6 July 2007，p.32），上面提到的氙一噸地下探測(cè)器裝置就是其中一條重要的搜索WIMP的實(shí)驗(yàn)途徑.

WIMP概念起源于1980年代初期.1983年在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的粒子物理實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了傳遞被稱之為弱核力的粒子:稍縱即逝的W-玻色子和Z-玻色子.那時(shí)，理論家們?cè)O(shè)想如果這些玻色子有一個(gè)穩(wěn)定的相似質(zhì)量（比如說(shuō)，幾百倍質(zhì)子質(zhì)量）的不帶電荷的堂表兄弟粒子，那么足夠多的此類重而孤零的粒子將在宇宙大爆炸后游弋徘徊，提供其引力足以把諸多星系和其他宇宙結(jié)構(gòu)束縛住的不可見的質(zhì)量.暗物質(zhì)候選粒子WIMP由此應(yīng)運(yùn)而生.

受“WIMP奇跡”的啟迪鼓舞，理論家們意識(shí)到一個(gè)稱之為超對(duì)稱的概念恰也預(yù)言多種WIMP.超對(duì)稱性假設(shè)每個(gè)已知粒子均有一個(gè)更大質(zhì)量卻自旋不同的相伴粒子.在諸多超對(duì)稱性版本中，最輕的超對(duì)稱相伴粒子是穩(wěn)定的、電中性的，且恰如WIMP一樣只通過(guò)弱力相互作用.恰恰是這一特有的可能聯(lián)系使得WIMP成為暗物質(zhì)的兩個(gè)領(lǐng)先候選者之一（另一候選者則是軸子（axion），源自強(qiáng)核力理論的一種假想粒子.參見Science，1 November 2013，p.552）.

就地下暗物質(zhì)探測(cè)器而言，目前全世界有十多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在各類探測(cè)器上工作著.如今最高靈敏度的當(dāng)屬位于美國(guó)南達(dá)科塔州立德市散福德地下研究設(shè)施的大型地下氙（Large Underground Xenon-LUX）探測(cè)器，內(nèi)裝370千克的液氙.2014年，LUX就已經(jīng)超越了先前裝有62千克液氙的第二版XENON探測(cè)器.相比之下，由于事實(shí)上將灌注3.5公噸液氙，也就是本文開篇強(qiáng)調(diào)介紹的氙一噸探測(cè)器將會(huì)一躍領(lǐng)先，自2016年春天開始獲取數(shù)據(jù)的時(shí)候，它應(yīng)當(dāng)比LUX靈敏一百倍.這將是一個(gè)極大幅度的升級(jí)實(shí)驗(yàn)，本應(yīng)引發(fā)科學(xué)家們的熱切期待.

然而物理學(xué)家們對(duì)氙一噸探測(cè)器前景卻深感憂慮.他們的主要擔(dān)心是，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）在長(zhǎng)達(dá)6年的運(yùn)行中并未找到關(guān)于超對(duì)稱性的任何證據(jù)，而超對(duì)稱性恰恰是WIMP理論模型的根基所在.相對(duì)于“實(shí)驗(yàn)運(yùn)行6年無(wú)果”不利局面，依然讓人們稍有繼續(xù)堅(jiān)持等待的空間是，直到去年LHC僅在其設(shè)計(jì)指標(biāo)能量的一半上運(yùn)行.但是盡管如此，芝加哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)人員Juan Collar還是相當(dāng)不樂(lè)觀:“壓倒一切的權(quán)威且完全無(wú)法改變和左右的事實(shí)是，源自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的粒子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有顯示任何超對(duì)稱性的蛛絲馬跡”.

為了盡一切可能規(guī)避賭注風(fēng)險(xiǎn)，從事暗物質(zhì)粒子搜索的研究者們正著手建造更大更靈敏的探測(cè)器.比如說(shuō)，氙一噸（XENON1T）的設(shè)計(jì)可以使其在兩年之內(nèi)被擴(kuò)建為氙n噸（XENONn T），它將能充灌7.5公噸的液氙.LUX上的研究者們正在建造一個(gè)被稱為L(zhǎng)Z的探測(cè)器，它應(yīng)當(dāng)可以灌注10公噸的液氙，有望能于2019年正式上線.

在前景極不明朗、暗物質(zhì)性質(zhì)神秘和實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴的情形下，繼續(xù)WIMP的實(shí)驗(yàn)搜索將面臨說(shuō)服同行和獲取經(jīng)費(fèi)支持的巨大困難.物理學(xué)家們就直率地稱，一味追求更大WIMP探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)力絕不可能永無(wú)休止地持續(xù)下去.比氙一噸靈敏100倍的探測(cè)器則可能會(huì)受到由中微子所引起的干擾，源自太陽(yáng)和其他來(lái)源的中微子流將開始在探測(cè)器中生成引起混亂的類似WIMP的信號(hào).物理學(xué)家們宣稱，撞到這個(gè)中微子的背景噪聲就標(biāo)志著這條探索WIMP之路的南墻.

歐洲的物理學(xué)家們已經(jīng)正在計(jì)劃直逼至此極限.瑞士蘇黎世大學(xué)的實(shí)驗(yàn)人員、XENON團(tuán)隊(duì)成員Laura Baudis正在領(lǐng)導(dǎo)規(guī)劃DARWIN，它也是一個(gè)將可能坐落于Gran Sasso的、盛載50噸液氙的探測(cè)器.Baudis希望DARWIN能于2020年著手建造.

其他物理學(xué)家們對(duì)此項(xiàng)目卻似乎不甚熱心了.來(lái)自印第安納州西拉法耶特普渡大學(xué)的一位XENON團(tuán)隊(duì)成員Rafael Lang說(shuō):““氙一噸”之后所要做的事情就是拿把掃帚清理，確保沒(méi)有漏過(guò)所有犄角旮旯里的任何東西”.芝加哥大學(xué)的Collar則說(shuō)，“我不知道還會(huì)有多少人可能有興趣為這個(gè)項(xiàng)目工作.我擔(dān)保我肯定不愿意了”

但是Baudis特別強(qiáng)調(diào)說(shuō)，DARWIN還將可能進(jìn)行中微子物理的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn).她說(shuō)，“我不會(huì)將之僅僅用于填封搜尋WIMP的縫隙空間”.該探測(cè)器也可以用于探測(cè)一個(gè)假想的核衰變被稱之為無(wú)中微子的雙β衰變，這個(gè)衰變過(guò)程將可能證明中微子恰是它自己的反粒子.它也能夠以高精確度測(cè)量太陽(yáng)的中微子譜.

現(xiàn)在，讓我們回顧本文開篇提到的氙一噸實(shí)驗(yàn)，一起來(lái)聽聽實(shí)驗(yàn)人員的聲音.美國(guó)哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、XENON團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人Elena Aprile說(shuō)，新探測(cè)器確實(shí)真有機(jī)會(huì)捕捉到WIMP:“WIMP沒(méi)準(zhǔn)兒馬上就會(huì)在某個(gè)犄角旮旯里被成功發(fā)現(xiàn)”；但她隨即補(bǔ)充道，“我們沒(méi)有把握是1噸亦或甚至是10噸的氙才夠用，以致于真能看到點(diǎn)什么，從這個(gè)意義上講我們大概正在逐漸喪失信念.”就物理學(xué)家們的理論猜測(cè)而言，暗物質(zhì)粒子還有眾多可能的候選體.然而，許多其他提議的暗物質(zhì)粒子卻缺少WIMP奇跡那樣的與已知物理的某種可能聯(lián)系.Aprile更直言道，這一局面令人極難判斷還要發(fā)展哪種類型的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，“各種想法數(shù)不勝數(shù)”.若WIMP再不盡早露頭現(xiàn)身，暗物質(zhì)捕獵者們也許全然不知道接下來(lái)該搜索什么了.

其他的暗物質(zhì)研究人員們與她一樣憂心忡忡.幾年前，當(dāng)時(shí)最大的WIMP探測(cè)器還是幾千克重的時(shí)候，絕大部分人覺(jué)得一噸氙的實(shí)驗(yàn)要么就能發(fā)現(xiàn)WIMP，要么對(duì)此概念一劍封喉.但是好幾代逐漸增大的液氙探測(cè)器都不幸鎩羽而歸，面對(duì)這樣不能回避的實(shí)驗(yàn)局面，物理學(xué)家們正在重新思考那些支持WIMP的理論假設(shè)和依據(jù)以致怎樣才或許有可能找到它們甚至必要時(shí)另辟蹊徑.有宇宙學(xué)家描述得非常形象生動(dòng).美國(guó)伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的一位理論家Rocky Kolb把捕獵WIMP比喻為一場(chǎng)美式橄欖球比賽，他說(shuō):“這是生死存亡的危機(jī)時(shí)刻.我們已經(jīng)到了下半場(chǎng)，也許是到了最后四分之一賽段，然而我們還是沒(méi)有得分.”

盡管研究者們正在操作運(yùn)行著若干更大型的探測(cè)器，并同時(shí)又在積極規(guī)劃最終可能找到WIMP的探測(cè)器.然而現(xiàn)在即便是最熱切渴望捕獲到暗物質(zhì)的狩獵者們也完全沒(méi)有把握還是否真值得一味追求巨型探測(cè)器了.

眾所周知，科學(xué)家們的天性就是探索未知.最新的報(bào)道，2016年6月底中國(guó)的粒子和天體物理氙探測(cè)器PandaX項(xiàng)目二期已經(jīng)在四川省錦屏山地下2400米的實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行.PandaX是“粒子和天體物理氙探測(cè)器”的英文字頭縮寫，由上海交通大學(xué)牽頭組織.據(jù)稱，“PandaX項(xiàng)目二期試運(yùn)行的數(shù)據(jù)正逼近目前國(guó)際領(lǐng)先的美國(guó)LUX實(shí)驗(yàn)”. PandaX項(xiàng)目目前已進(jìn)入二期正式的數(shù)據(jù)獲取階段，其“采集一年的有效數(shù)據(jù)，預(yù)期的靈敏度將遠(yuǎn)好于美國(guó)的LUX實(shí)驗(yàn)當(dāng)前的結(jié)果”.近年來(lái)在中國(guó)公眾媒體中流行的PandaX項(xiàng)目“正處在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣”的說(shuō)法能否真的使得PandaX二期液氙裝置實(shí)驗(yàn)在搜索假想的暗物質(zhì)粒子WIMP的路途中峰回路轉(zhuǎn)、柳暗花明，讓我們大家在今后幾年內(nèi)竦耳傾首、拭目以待.

（呼延即墨）

呼延即墨.美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)文稱追獵WIMP暗物質(zhì)前景堪憂［J］.物理與工程，2016，26（4）:118-119.