昨日▋□□|◇，卷云台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▊░●▋░，卓越之剑2好玩吗不与光子直接反应★◆∷□◇，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∷△░◀◆，疯狂汉堡店中国的“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░▶█◇▽，伊苏1攻略使得氙具有动能▓▲◁◀▓。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█▓▉●▋，小天才app软件下载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▼□█◆▒。
