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

［編輯人語］2016年3月25日美國《科學(xué)》雜志發(fā)文跟蹤報道液氙探測器對作為重要暗物質(zhì)候選體的弱作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的多年實驗探測搜索歷程和前景評估?！爱?dāng)液氙探測器靈敏度逐漸增高到能探測到來自太陽和其它來源的中微子的背景干擾時，對假定的暗物質(zhì)粒子WIMP的跟蹤搜尋就將很可能終結(jié)”。我們在與幾位研究者探討此話題之后，認(rèn)為非常有必要及時向讀者們介紹該文。本文有對《科學(xué)》原文的編譯摘錄，也包括我們請教了相關(guān)專家對該文的解釋和評論。特別建議有興趣的讀者直接閱讀《科學(xué)》英語原文，了解國際上用液氙探測器實驗搜尋WIMP前沿的實際情況，有一個綜合的全局觀。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)時刻——當(dāng)今最大型的弱作用大質(zhì)量粒子探測器（WIMP）最終究竟能否找到假想的粒子，人們沒有什么信心了

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公里的地下實驗室內(nèi)，實驗物理學(xué)家們啟動了往一個圓柱狀的缸罐內(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.這個高和寬均約為一米的缸罐正是氙一噸探測器（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）的最大實驗探測器.它超越了物理學(xué)家們過去30年間搜尋候選暗物質(zhì)粒子WIMP的一個尺寸上的重要閾值.

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)家所青睞的一個成員.物理學(xué)家們想象了以三種不同方式來探測WIMP（參見Science，6 July 2007，p.32），上面提到的氙一噸地下探測器裝置就是其中一條重要的搜索WIMP的實驗途徑.

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）的粒子物理實驗室里，實驗物理學(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，理論家們設(shè)想如果這些玻色子有一個穩(wěn)定的相似質(zhì)量（比如說，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)運而生.

受“WIMP奇跡”的啟迪鼓舞，理論家們意識到一個稱之為超對稱的概念恰也預(yù)言多種WIMP.超對稱性假設(shè)每個已知粒子均有一個更大質(zhì)量卻自旋不同的相伴粒子.在諸多超對稱性版本中，最輕的超對稱相伴粒子是穩(wěn)定的、電中性的，且恰如WIMP一樣只通過弱力相互作用.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)探測器而言，目前全世界有十多個實驗團(tuán)隊在各類探測器上工作著.如今最高靈敏度的當(dāng)屬位于美國南達(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探測器.相比之下，由于事實上將灌注3.5公噸液氙，也就是本文開篇強(qiáng)調(diào)介紹的氙一噸探測器將會一躍領(lǐng)先，自2016年春天開始獲取數(shù)據(jù)的時候，它應(yīng)當(dāng)比LUX靈敏一百倍.這將是一個極大幅度的升級實驗，本應(yīng)引發(fā)科學(xué)家們的熱切期待.

然而物理學(xué)家們對氙一噸探測器前景卻深感憂慮.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)子對撞機(jī)（LHC）在長達(dá)6年的運行中并未找到關(guān)于超對稱性的任何證據(jù)，而超對稱性恰恰是WIMP理論模型的根基所在.相對于“實驗運行6年無果”不利局面，依然讓人們稍有繼續(xù)堅持等待的空間是，直到去年LHC僅在其設(shè)計指標(biāo)能量的一半上運行.但是盡管如此，芝加哥大學(xué)實驗人員Juan Collar還是相當(dāng)不樂觀:“壓倒一切的權(quán)威且完全無法改變和左右的事實是，源自大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子實驗數(shù)據(jù)沒有顯示任何超對稱性的蛛絲馬跡”.

為了盡一切可能規(guī)避賭注風(fēng)險，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器.比如說，氙一噸（XENON1T）的設(shè)計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被稱為LZ的探測器，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)神秘和實驗設(shè)備昂貴的情形下，繼續(xù)WIMP的實驗搜索將面臨說服同行和獲取經(jīng)費支持的巨大困難.物理學(xué)家們就直率地稱，一味追求更大WIMP探測器的驅(qū)動力絕不可能永無休止地持續(xù)下去.比氙一噸靈敏100倍的探測器則可能會受到由中微子所引起的干擾，源自太陽和其他來源的中微子流將開始在探測器中生成引起混亂的類似WIMP的信號.物理學(xué)家們宣稱，撞到這個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)正在計劃直逼至此極限.瑞士蘇黎世大學(xué)的實驗人員、XENON團(tuán)隊成員Laura Baudis正在領(lǐng)導(dǎo)規(guī)劃DARWIN，它也是一個將可能坐落于Gran Sasso的、盛載50噸液氙的探測器.Baudis希望DARWIN能于2020年著手建造.

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

但是Baudis特別強(qiáng)調(diào)說，DARWIN還將可能進(jìn)行中微子物理的關(guān)鍵實驗.她說，“我不會將之僅僅用于填封搜尋WIMP的縫隙空間”.該探測器也可以用于探測一個假想的核衰變被稱之為無中微子的雙β衰變，這個衰變過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量太陽的中微子譜.

現(xiàn)在，讓我們回顧本文開篇提到的氙一噸實驗，一起來聽聽實驗人員的聲音.美國哥倫比亞大學(xué)實驗物理學(xué)家、XENON團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)人Elena Aprile說，新探測器確實真有機(jī)會捕捉到WIMP:“WIMP沒準(zhǔn)兒馬上就會在某個犄角旮旯里被成功發(fā)現(xiàn)”；但她隨即補(bǔ)充道，“我們沒有把握是1噸亦或甚至是10噸的氙才夠用，以致于真能看到點什么，從這個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)探測實驗，“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)時最大的WIMP探測器還是幾千克重的時候，絕大部分人覺得一噸氙的實驗要么就能發(fā)現(xiàn)WIMP，要么對此概念一劍封喉.但是好幾代逐漸增大的液氙探測器都不幸鎩羽而歸，面對這樣不能回避的實驗局面，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另辟蹊徑.有宇宙學(xué)家描述得非常形象生動.美國伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的一位理論家Rocky Kolb把捕獵WIMP比喻為一場美式橄欖球比賽，他說:“這是生死存亡的危機(jī)時刻.我們已經(jīng)到了下半場，也許是到了最后四分之一賽段，然而我們還是沒有得分.”

盡管研究者們正在操作運行著若干更大型的探測器，并同時又在積極規(guī)劃最終可能找到WIMP的探測器.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有把握還是否真值得一味追求巨型探測器了.

眾所周知，科學(xué)家們的天性就是探索未知.最新的報道，2016年6月底中國的粒子和天體物理氙探測器PandaX項目二期已經(jīng)在四川省錦屏山地下2400米的實驗室試運行.PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”的英文字頭縮寫，由上海交通大學(xué)牽頭組織.據(jù)稱，“PandaX項目二期試運行的數(shù)據(jù)正逼近目前國際領(lǐng)先的美國LUX實驗”. PandaX項目目前已進(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)好于美國的LUX實驗當(dāng)前的結(jié)果”.近年來在中國公眾媒體中流行的PandaX項目“正處在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣”的說法能否真的使得PandaX二期液氙裝置實驗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《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.