暗物质粒子出现了？

图片来源：XENON 合作组

　　昨日，一项关于暗物质搜寻的新进展在各大科学网站刷屏。意大利格兰萨索国家实验室的研究人员宣布，他们在 XENON1T 暗物质探测器中发现了异常信号，这个信号可能来自人们苦苦寻觅的暗物质粒子——轴子。不过研究人员也表示，这些信号也可能存在其他解释，并且目前的置信度距离宣称“新发现”还有相当的距离。

　　暗物质无疑是宇宙中最为神秘的一类物质。在研究星系团及星系运动时，天文学家注意到，仅靠已知物质的引力，无法约束它们的结构。这让他们意识到，在我们所熟知的物质形式之外，宇宙中一定还藏匿着我们看不见的奇特物质，而这些可能属于宇宙大爆炸产物的物质，就被称作“暗物质”。它们不参与电磁作用，不与光子直接反应，因此无法被我们直接观测到。

　　我们知道，暗物质占据了宇宙中 85% 的物质、四分之一的总质量，它们的存在让星系得以形成，并在运动过程中保持稳定。但是，暗物质粒子究竟是什么？对于这个关乎宇宙组成的根本性问题，科学界至今没有明确的答案。

　　地下 1400 米的实验室

　　目前，存在多个暗物质粒子候选者。其中最为盛行的理论是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。在这个理论中，暗物质是一类可以参与弱相互作用，静止质量超过 1GeV 的大质量粒子。WIMP 理论受物理学家欢迎的一个重要原因是，它可以很好地解释观测到的暗物质密度。

　　为了搜寻这类粒子，各国物理学家已经做了不少尝试。例如，中国的“悟空”号暗物质卫星，正是在超过 10GeV 的能段上寻找异常的伽马射线信号——这样的信号，可能来自 WIMP 之间的碰撞。除了太空中的探测器，寻找暗物质粒子的另一条思路，是在地下深处建造探测装置。数百乃至上千米厚的岩层可以隔绝绝大多数宇宙线的干扰，尽可能避免噪音对实验的影响，而暗物质粒子却能顺利通过。

　　在意大利格兰萨索地下 1400 米深处，就藏着当今最灵敏的地下暗物质探测器——XENON1T。

格兰萨索国家实验室外景（图片来源：wikipedia）

　　Xenon 是化学元素中的氙（Xe），而 XENON 系列实验使用的，正是性质颇为“懒惰”的液态氙。作为 XENON 实验的第三代探测器，XENON1T 装了 3.2 吨液态氙。如果 WIMP 进入装置，将有可能与氙原子发生弹性碰撞，使得氙具有动能。这时，动起来的氙原子撞上其他物质、释放电子，就可以发出闪光。因此，通过监测装置中特定的闪光，可以推测与氙原子发生碰撞的粒子。

　　XENON 实验于 2006 年启动，经历了两次设备升级。但在十余年的搜寻过程中，XENON 团队期望中的信号一直没有出现。与此同时，全球范围内其他搜寻实验也没有取得实质性进展。虽然不足以给 WIMP 理论宣判死刑，但这些结果意味着，WIMP 可能存在的能量区间正在不断缩小。

实验过程示意图（图片来源：UX-ZEPLIN （LZ） COLLABORATION / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY）

　　面对一轮轮实验的无功而返，XENON 团队在继续开展更灵敏的 WIMP 搜寻实验的同时，也有了新的考虑。或许，找不到暗物质粒子的真正原因在于，搜寻的目标错了。于是，他们利用 XENON1T 探测器开展了寻找另一种暗物质候选粒子——轴子——的实验。

　　从 WIMP 到轴子

　　“轴子”这一概念于上世纪 70 年代被提出，最初的目的是解决强相互作用中的 CP（电荷-宇称）不对称性问题。80 年代中期，理论研究发现，宇宙大爆炸能产生足以构成暗物质的轴子。从此，轴子也成为暗物质的有力候选粒子。

　　相比于 WIMP，轴子的质量要低得多，只有1μeV~1meV。因此，适用于 WIMP 的探测手段，显然不能直接照搬到轴子身上。由于轴子太轻了，它们撞上氙原子就如同蚍蜉撼大树，不会掀起任何波澜。不过，氙的电子却是很合适的撞击目标——轴子与电子可以发生弹性碰撞，赋予电子动能，继而产生可探测的闪光。

　　基于这一思路，2016-2018 年间，研究团队在 24keV 的能段上收集装置中的闪光。在两年多的运行期间，他们共看见了 285 次闪光信号。不过，这些信号中的大多数都是可以解释的。建在地下深处的装置可以屏蔽地面以上的绝大多数干扰，但少量来自放射性铅、氪等同位素的背景噪音仍然可以进入装置中，与氙原子发生碰撞。好在，研究人员可以分辨出这些噪音信号。在 285 个信号中，有 232 个来自背景噪音。问题是，其余的 53 个信号，是由什么产生的？

　　XENON 团队提出了 3 种可能的解释。

XENON 探测器内部（图片来源：ENRICO SACCHETTI/SCIENCE SOURCE）

　　新发现还是污染信号？

　　其中可能性最高，同时也是最令人兴奋的解释就是，这些信号来自暗物质粒子——轴子。不过，这些轴子并不是形成于宇宙大爆炸过程的“幽灵”，而是由太阳产生。虽然不能直接解释宇宙中缺失的质量，但这样的结论同样足够震撼：如果太阳轴子得到证实，这意味着源自大爆炸过程的轴子同样存在，这将是人类首次发现暗物质粒子。

　　那么，这个结论足够牢靠吗？在物理学中，只有在置信度达到5σ时，（换句话说，信号来自噪音的概率低于 350 万分之一时）才可以称得上是“发现”。而对于太阳轴子的解释，其置信度是 3.5σ。也就是说，信号来自噪音，即随机涨落的概率是 5000 分之一——虽然看上去不错，但距离宣称“新发现”，还有相当的距离。

　　如果不是太阳轴子呢？XENON 团队提出的第二种可能性同样令人激动：这些信号属于磁性更强的太阳中微子。一般情况下，太阳中微子不会在装置中产生信号。但如果中微子的磁性比此前预期的更强，就可以与观测信号相符了。如果是这样，那么他研究团队取得的将是标准模型之外的发现！相比之下，太阳中微子假说的置信度更低，为 3.2σ，相当于信号有 700 分之一的可能性来自背景噪音。

　　在两者之外，还存在一种令人失望的可能性——信号不属于任何物理学的新发现，而只是放射性氚对装置的污染。高能宇宙线撞击装置周围的岩石时，会产生中子，而中子击碎氙原子核就会产生氚，进而衰变产生电子。在实验开始前，实验人员会尽可能避免这种污染，但微量的氚可能无法被完全清除。这一假说的置信度与太阳中微子假说相当，同样为 3.2σ。由于 XENON1T 已经停止运行、准备升级开始下一阶段的实验，因此科学家已经无法再排查、追溯这种可能性了。

　　目前，研究人员无法证实，也不能排除其中任何一种可能性。不过，他们仍有机会从进一步的实验中找到线索。

　　如果信号来自太阳——无论是太阳轴子还是中微子，我们都应该能观测到信号的季节性变化。这是因为在不同季节，太阳与地球的相对位置会出现变化，仪器接收到的信号数量也应该出现波动。不过，这项实验的周期只有两年，再加上信号太弱，因此没有发现季节性波动的信号。但随着团队正在将探测器升级为更强大的 XENONnt，并计划开始一项为期 5 年的观测实验，暗物质粒子的首份确切答卷，或许就将在这里诞生。