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暗物质探测器捕捉到“很多出乎意料”的事件

2020年7月3日7:43 环球解密

    日本的暗物质探测器最近捕获到“很多出乎意料”的事件,很可能是理论预测中暗物质的一种粒子——轴子存在的证明。研究者称这项发现“足够引起关注”。

    粒子探测示意图。( SLAC National Accelerator Laboratory)

    科学家认为宇宙存在大量暗物质,它们与普通物质和光不产生强烈的相互作用,但是科学家认为将发生某种微弱的互动,类似中微子和普通物质的互动。

    每秒钟大约有上万亿个中微子穿过人体,人体毫无感觉,也看不出有何影响。可是不时地,中微子会撞上某个原子的原子核,产生一些杂散的光子或某种基础粒子。出现这类撞击事件的概率太小了,因此中微子观测器要用到大体积的液体或冰块。科学家认为暗物质与普通物质的互动也是类似的情况,因此暗物质探测器也是以这样的思路设计。

    XENON1T项目就是这样一个项目,在意大利地下深处装了一大缸上吨重的纯净液态氙。研究人员选用液态氙而不用水,因为他们目标寻找“大质量弱相互作用粒子”(WIMPs)——理论预测的一类暗物质粒子。这类粒子比中微子重得多,如果它们存在,并与普通物质碰撞,将产生很特殊的信号。科学家认为液态氙能更好地排除杂散的信号,聚焦于WIMPs粒子。

    遗憾的是,至今没有发现任何WIMPs粒子的踪迹。这个研究组把实验稍做修改,转而寻找轴子。1977年,一些科学家为了解决粒子物理学中的某些问题首次提出轴子理论。它们的理论特性和暗物质很类似。

    用XENON1T设备寻找轴子的一个难处在于,轴子的信号和其它很多信号,比如原子的放射性衰变,或中微子与原子核的撞击等都是类似的,很难区分。

    科学家认为,既然这些粒子及其与普通物质的互动效果是已知的,那么可以计算出现这些事件的数量。探测到任何超过这个数量的信号,有很大可能性就是存在轴子的证明。

    这个团队6月17日提交给论文预印网arXiv的研究称,发现了“很多预期之外的事件”。

    统计学上要求显着水平为5才能宣布发现一种新粒子,这份研究称数据的显着水平为3.5,不足以下结论,但是研究人员认为这足以引起同行的兴趣。在多年寻找暗物质无果的情况下,任何可能意味着捕捉到暗物质的蛛丝马迹都足以让科学家感到兴奋。

    研究者坦承,除了轴子,其它物质也可能产生这些“预期之外的事件”,比如探测器内轻微的污染,混入了少量氢3,或者某些宇宙事件产生的中微子等。

    研究人员认为,如果这些数据的确是由轴子产生,未来的其它研究肯定会进一步证实。

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