实验暂未探测到暗物质

撰文｜韩晶晶

想要捕捉到暗物质的踪迹绝非易事。虽然灵敏度更高的实验尚未发现暗物质，但为暗物质理论提供了更强的限制。

暗物质依然难以捉摸，但它已经渐渐被科学家逼入死角了。2016年，上海交通大学的PandaX（粒子和天体物理氙探测器）暗物质探测实验的新结果公布。实验虽未探测到暗物质粒子，但更进一步地限定了它的性质。

物理学家认为，整个宇宙的物质中有大约84％是暗物质，而中子和质子等构成的普通物质仅占了很小的一部分。暗物质不参与电磁相互作用，也不会发出电磁辐射。正是这样，它们才得到了“暗”物质这个名称。但是，它们会通过引力对宇宙施加巨大的影响，支配着星系和星系团的形成和演化。暗物质对天体物理学意义重大，但遗憾的是，我们至今仍不知道它们究竟是什么。

目前，最受科学家青睐的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。这种粒子本身尚未得到证实，只是超对称理论的一个预言。该理论认为，任何一种粒子都存在一个超对称伙伴，而WIMP就是这类伙伴粒子中最轻的一种。

研究者一直在通过多种手段寻找WIMP，其中一种关键的手段就是直接探测。WIMP粒子虽然几乎不与普通物质发生作用，但还是有很小的概率会撞上原子核。目前，有很多实验就是以此为基础设计的。这些实验的装置中有大量的锗、液氙，或者液氩等物质，当WIMP撞击其中的原子核时，会把部分能量转移给它们，使它们发出可以探测到的信号。

PandaX实验使用的就是液氙。第二期实验运行的时候，探测器灵敏区域内的液氙的质量已经扩大到了580千克。该实验由上海交通大学牵头，参与机构包括北京大学、山东大学、中国科学院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等。

暗物质探测实验的一大难题就是如何屏蔽宇宙射线带来的干扰，因此这类实验装置往往设置在地下深处，利用厚厚的岩石屏蔽干扰。例如大型地下氙探测器（LUX）就隐藏在美国南达科他州的废金矿深处，距离地表1,480米。而PandaX实验有所不同，它所在的中国锦屏地下实验室位于四川锦屏山长逾17千米的隧道内，实验室上方厚达2,400米的锦屏山山体起到了屏蔽宇宙射线干扰的作用。岩石本身放射性产生的辐射则由一个100吨的聚乙烯、铅及高纯铜组成的屏蔽体来隔离。

尽管如此，PandaX还是无法完全杜绝其他粒子带来的背景干扰，因此研究者需要采取一些办法从干扰信号中分辨出真正的暗物质信号。实验组成员、上海交通大学的谌勋在接受《环球科学》记者采访时介绍：“不同的暗物质探测实验区分暗物质信号和背景信号的方法各不相同。具体到PandaX暗物质探测实验来说，我们采用了二相型氙的探测方案。”二相指的是探测器中不仅有液态氙，也有气态氙。WIMP撞击氙原子核后，不仅会激发原子发出闪光，还可能导致原子电离，逃出来的电子在电场的作用下会进入气态氙，也发出闪光。而背景信号的主要来源是周围环境产生的伽马光子和中子。伽马光子与氙原子的电子作用，中子和原子核相互作用，同样也会产生类似的闪光信号。

谌勋说：“WIMP主要和原子核作用，而伽马光子主要和电子作用，这两种碰撞在液态氙和气态氙中产生的两次闪光信号的大小比例有明显差别，与电子碰撞时，在气态氙中产生的信号更强。通过这种方法，我们可以将来自伽马光子的本底信号和暗物质信号区分开来。中子则可能在探测器里面多次散射，从而产生多次闪光信号，这样我们也能够排除部分中子本底。”

PandaX实验于2016年7月公布的最新结果显示，从2016年3月到6月，PandaX探测器记录了约3,000万次粒子事件。经分析，这些事件被一一排除，最后剩下的可疑事件只有2016年6月11日3时3分6秒的一个。但研究者通过分析最终认定，这个事件来源于探测材料的放射性，也不是源自暗物质粒子。

谌勋表示：“我们的实验没有发现暗物质，但是可以根据我们的探测器里面氙的质量以及运行时间，在暗物质的标准天文学假设下，给出WIMP与普通物质的散射截面的上限，从而对暗物质理论提供更强的限制。随着实验规模变大和实验时间变长，这个限制将越来越严格。如果有些理论是对的话，实验将极可能发现它们所预言的暗物质信号。”

PandaX第二期实验所用的探测器

随着暗物质探测实验的灵敏度不断提升，我们可能离发现WIMP正越来越近。不过，如果暗物质其实并不是WIMP，这种实验并不能帮我们把它彻底排除掉。如果实验装置已经非常灵敏，却还是没有探测到WIMP，就会陷入一种尴尬的境地：探测实验会开始捕捉到中微子信号。中微子几乎无处不在，没有任何办法能屏蔽它们，而且它们产生的信号和WIMP无法区分。“因此，存在一个所谓的‘中微子本底’极限，当实验灵敏度到达这个极限之后，将无法区分看到的信号来自中微子还是暗物质，也就不能对低于这个极限的WIMP暗物质进行任何限制了，”谌勋说，“但是要达到中微子极限需要数十吨级别的液氙探测器，通过几年的观测才能实现。在目前的极限和中微子本底之间，还有很大的空间等待我们去探索。”