简讯 美国《科学》杂志发文称追猎WIMP 暗物质前景堪忧

简讯 美国《科学》杂志发文称追猎WIMP 暗物质前景堪忧

［编辑人语］2016年3月25日美国《科学》杂志发文跟踪报道液氙探测器对作为重要暗物质候选体的弱作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的多年实验探测搜索历程和前景评估。“当液氙探测器灵敏度逐渐增高到能探测到来自太阳和其它来源的中微子的背景干扰时，对假定的暗物质粒子WIMP的跟踪搜寻就将很可能终结”。我们在与几位研究者探讨此话题之后，认为非常有必要及时向读者们介绍该文。本文有对《科学》原文的编译摘录，也包括我们请教了相关专家对该文的解释和评论。特别建议有兴趣的读者直接阅读《科学》英语原文，了解国际上用液氙探测器实验搜寻WIMP前沿的实际情况，有一个综合的全局观。链接地址是:Science 25 Mar 2016:Vol.351，Issue 6280，pp.1376-1377（DOI:10.1126/science.351.6280.1376）.

原文标题:Crunch time for dark matter hunt—Little confidence that biggest WIMP detector ever will find hypothesized particles

作者:Adrian Cho

译文标题:追猎暗物质的危机时刻——当今最大型的弱作用大质量粒子探测器（WIMP）最终究竟能否找到假想的粒子，人们没有什么信心了

2016年3月在欧洲意大利半岛中部的Apennine山脉最高峰Gran Sasso d’Italia之下1.4公里的地下实验室内，实验物理学家们启动了往一个圆柱状的缸罐内灌注液氙（xenon），这是一种密度约为水密度三倍的寒冷物质材料.这个高和宽均约为一米的缸罐正是氙一吨探测器（XENON1T）的心脏部分，“氙一吨”是迄今为止搜寻弱作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle—WIMP）的最大实验探测器.它超越了物理学家们过去30年间搜寻候选暗物质粒子WIMP的一个尺寸上的重要阈值.

神秘的暗物质和暗能量被形象地喻为“漂浮在21世纪初物理学天空中的两大乌云”.物理学家们对于具有一切引力性质的暗物质的可能粒子有很多种假设猜想，这个WIMP则是假设的暗物质粒子大家族中的一种目前最被理论粒子物理学家所青睐的一个成员.物理学家们想象了以三种不同方式来探测WIMP（参见Science，6 July 2007，p.32），上面提到的氙一吨地下探测器装置就是其中一条重要的搜索WIMP的实验途径.

WIMP概念起源于1980年代初期.1983年在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的粒子物理实验室里，实验物理学家们发现了传递被称之为弱核力的粒子:稍纵即逝的W-玻色子和Z-玻色子.那时，理论家们设想如果这些玻色子有一个稳定的相似质量（比如说，几百倍质子质量）的不带电荷的堂表兄弟粒子，那么足够多的此类重而孤零的粒子将在宇宙大爆炸后游弋徘徊，提供其引力足以把诸多星系和其他宇宙结构束缚住的不可见的质量.暗物质候选粒子WIMP由此应运而生.

受“WIMP奇迹”的启迪鼓舞，理论家们意识到一个称之为超对称的概念恰也预言多种WIMP.超对称性假设每个已知粒子均有一个更大质量却自旋不同的相伴粒子.在诸多超对称性版本中，最轻的超对称相伴粒子是稳定的、电中性的，且恰如WIMP一样只通过弱力相互作用.恰恰是这一特有的可能联系使得WIMP成为暗物质的两个领先候选者之一（另一候选者则是轴子（axion），源自强核力理论的一种假想粒子.参见Science，1 November 2013，p.552）.

就地下暗物质探测器而言，目前全世界有十多个实验团队在各类探测器上工作着.如今最高灵敏度的当属位于美国南达科塔州立德市散福德地下研究设施的大型地下氙（Large Underground Xenon-LUX）探测器，内装370千克的液氙.2014年，LUX就已经超越了先前装有62千克液氙的第二版XENON探测器.相比之下，由于事实上将灌注3.5公吨液氙，也就是本文开篇强调介绍的氙一吨探测器将会一跃领先，自2016年春天开始获取数据的时候，它应当比LUX灵敏一百倍.这将是一个极大幅度的升级实验，本应引发科学家们的热切期待.

然而物理学家们对氙一吨探测器前景却深感忧虑.他们的主要担心是，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在长达6年的运行中并未找到关于超对称性的任何证据，而超对称性恰恰是WIMP理论模型的根基所在.相对于“实验运行6年无果”不利局面，依然让人们稍有继续坚持等待的空间是，直到去年LHC仅在其设计指标能量的一半上运行.但是尽管如此，芝加哥大学实验人员Juan Collar还是相当不乐观:“压倒一切的权威且完全无法改变和左右的事实是，源自大型强子对撞机的粒子实验数据没有显示任何超对称性的蛛丝马迹”.

为了尽一切可能规避赌注风险，从事暗物质粒子搜索的研究者们正着手建造更大更灵敏的探测器.比如说，氙一吨（XENON1T）的设计可以使其在两年之内被扩建为氙n吨（XENONn T），它将能充灌7.5公吨的液氙.LUX上的研究者们正在建造一个被称为LZ的探测器，它应当可以灌注10公吨的液氙，有望能于2019年正式上线.

在前景极不明朗、暗物质性质神秘和实验设备昂贵的情形下，继续WIMP的实验搜索将面临说服同行和获取经费支持的巨大困难.物理学家们就直率地称，一味追求更大WIMP探测器的驱动力绝不可能永无休止地持续下去.比氙一吨灵敏100倍的探测器则可能会受到由中微子所引起的干扰，源自太阳和其他来源的中微子流将开始在探测器中生成引起混乱的类似WIMP的信号.物理学家们宣称，撞到这个中微子的背景噪声就标志着这条探索WIMP之路的南墙.

欧洲的物理学家们已经正在计划直逼至此极限.瑞士苏黎世大学的实验人员、XENON团队成员Laura Baudis正在领导规划DARWIN，它也是一个将可能坐落于Gran Sasso的、盛载50吨液氙的探测器.Baudis希望DARWIN能于2020年着手建造.

其他物理学家们对此项目却似乎不甚热心了.来自印第安纳州西拉法耶特普渡大学的一位XENON团队成员Rafael Lang说:““氙一吨”之后所要做的事情就是拿把扫帚清理，确保没有漏过所有犄角旮旯里的任何东西”.芝加哥大学的Collar则说，“我不知道还会有多少人可能有兴趣为这个项目工作.我担保我肯定不愿意了”

但是Baudis特别强调说，DARWIN还将可能进行中微子物理的关键实验.她说，“我不会将之仅仅用于填封搜寻WIMP的缝隙空间”.该探测器也可以用于探测一个假想的核衰变被称之为无中微子的双β衰变，这个衰变过程将可能证明中微子恰是它自己的反粒子.它也能够以高精确度测量太阳的中微子谱.

现在，让我们回顾本文开篇提到的氙一吨实验，一起来听听实验人员的声音.美国哥伦比亚大学实验物理学家、XENON团队领导人Elena Aprile说，新探测器确实真有机会捕捉到WIMP:“WIMP没准儿马上就会在某个犄角旮旯里被成功发现”；但她随即补充道，“我们没有把握是1吨亦或甚至是10吨的氙才够用，以致于真能看到点什么，从这个意义上讲我们大概正在逐渐丧失信念.”就物理学家们的理论猜测而言，暗物质粒子还有众多可能的候选体.然而，许多其他提议的暗物质粒子却缺少WIMP奇迹那样的与已知物理的某种可能联系.Aprile更直言道，这一局面令人极难判断还要发展哪种类型的暗物质探测实验，“各种想法数不胜数”.若WIMP再不尽早露头现身，暗物质捕猎者们也许全然不知道接下来该搜索什么了.

其他的暗物质研究人员们与她一样忧心忡忡.几年前，当时最大的WIMP探测器还是几千克重的时候，绝大部分人觉得一吨氙的实验要么就能发现WIMP，要么对此概念一剑封喉.但是好几代逐渐增大的液氙探测器都不幸铩羽而归，面对这样不能回避的实验局面，物理学家们正在重新思考那些支持WIMP的理论假设和依据以致怎样才或许有可能找到它们甚至必要时另辟蹊径.有宇宙学家描述得非常形象生动.美国伊利诺伊州芝加哥大学的一位理论家Rocky Kolb把捕猎WIMP比喻为一场美式橄榄球比赛，他说:“这是生死存亡的危机时刻.我们已经到了下半场，也许是到了最后四分之一赛段，然而我们还是没有得分.”

尽管研究者们正在操作运行着若干更大型的探测器，并同时又在积极规划最终可能找到WIMP的探测器.然而现在即便是最热切渴望捕获到暗物质的狩猎者们也完全没有把握还是否真值得一味追求巨型探测器了.

众所周知，科学家们的天性就是探索未知.最新的报道，2016年6月底中国的粒子和天体物理氙探测器PandaX项目二期已经在四川省锦屏山地下2400米的实验室试运行.PandaX是“粒子和天体物理氙探测器”的英文字头缩写，由上海交通大学牵头组织.据称，“PandaX项目二期试运行的数据正逼近目前国际领先的美国LUX实验”. PandaX项目目前已进入二期正式的数据获取阶段，其“采集一年的有效数据，预期的灵敏度将远好于美国的LUX实验当前的结果”.近年来在中国公众媒体中流行的PandaX项目“正处在发现暗物质的边缘”的说法能否真的使得PandaX二期液氙装置实验在搜索假想的暗物质粒子WIMP的路途中峰回路转、柳暗花明，让我们大家在今后几年内竦耳倾首、拭目以待.

（呼延即墨）

呼延即墨.美国《科学》杂志发文称追猎WIMP暗物质前景堪忧［J］.物理与工程，2016，26（4）:118-119.