这是暗物质研究领域的“大象”:一项声称的发现令人难以置信,难以证实,而且难以解释清楚。现在,有四种仪器将使用与声明背后的合作项目相同类型的探测器,这些仪器或正在研制中,或准备投入使用。从事暗物质研究的物理学家们说,在三年内,这些实验要么能证实暗物质的存在,要么能一劳永逸地排除暗物质存在的可能性。
“这个问题会得到解决,”新泽西州普林斯顿大学的Frank Calaprice说。
最初的声明来自DAMA的合作,他们的探测器位于罗马东部格兰萨索山丘下的一个实验室里。十多年来,它已经报告了大量关于暗物质的证据。暗物质是一种看不见的物质,被认为是通过其万有引力将星系结合在一起。韩国首批上线的新型探测器将于几周后开始采集数据。接下来的几年里,杏耀其他几家公司将陆续在西班牙、澳大利亚和格兰萨索上市。所有的实验都将使用碘化钠晶体来探测暗物质,这是除了DAMA的实验外,
杏耀介绍 ,没有其他全面的实验做过的。
科学家有大量的证据证明暗物质的存在,其数量至少是普通物质的五倍。但它的性质仍然是个谜。主要的假设是,它的质量至少有一部分是由大质量弱相互作用粒子(WIMPs)组成的,这些粒子在地球上偶尔会与原子核相撞。
如果这种情况发生在探测器上,DAMA的碘化钠晶体应该会产生一道闪光。尽管自然辐射也会产生这样的闪光,但DAMA声称在1998年首次探测到大质量弱相互作用大质量弱相互作用大质量粒子,这是基于这样一个事实,即每天产生的闪光数量随着季节的变化而变化。
他们说,如果信号是由大质量弱相互作用大质量粒子(wimp)产生的,这正是人们所期望的。当太阳系穿过银河系的暗物质晕时,这些弱相互作用大质量粒子如雨点般落在地球上。在这种情况下,当行星的轨道运动与太阳的轨道运动一致时,即6月初,穿越地球的粒子数量应该达到峰值,当其运动与太阳相反时,即12月初,粒子数量应该达到最低点。
有一个大问题。德国卡尔斯鲁厄理工学院的理论物理学家Thomas Schwetz-Mangold说:“如果它真的是暗物质,许多其他实验应该已经看到它了。”但与此同时,在DAMA实验中寻找弱点的所有尝试都失败了,比如研究人员没有考虑到的环境影响。“调制信号就在那里,”加州大学圣地亚哥分校从事暗物质实验XENON1T的倪凯旋(音译)说。“但如何解释这些信号——无论是来自暗物质还是其他什么——还不清楚。”
尽管韩国的“看不见的大规模搜寻”(KIMS)使用了碘化铯,但还没有其他全面的实验在探测器中使用过碘化钠。所以暗物质与钠的相互作用方式与其他元素不同的可能性仍然存在。伊利诺斯州芝加哥大学的胡安•科勒(Juan Collar)说:“直到有人打开了用同样材料制成的探测器,你才会相信那里什么都没有。”科勒曾参与过几次暗物质实验。
许多人发现,要生产出纯度达到要求的碘化钠晶体颇具挑战性。钾是一种天然存在的放射性同位素,钾的污染是一个特别的问题。
但现在有三支暗物质狩猎队——金姆斯;DM-Ice,来自康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学;西班牙萨拉戈萨大学的ANAIS则分别获得了两倍于DAMA本底辐射水平的晶体。他们说,这足以测试其结果的纯度。
金博士和日本气象局-冰小组在首尔以东160公里的阳阳地下实验室共同建造了一个碘化钠探测器。位于大田的韩国地下物理研究中心(Center for Underground Physics in Daejeon)主任金永德(Yeongduk Kim,音)说,这种仪器使用了一个“主动否定”传感器,它能比DAMA更好地从噪音中分离出暗物质信号。
ANAIS正在西班牙比利牛斯山的Canfranc地下实验室建造一个类似的探测器。KIMS/DM-Ice和ANAIS总共将有大约200公斤的碘化钠,他们将汇集他们的数据。他们说,这相当于DAMA的250公斤,使他们能够捕捉到同样数量的弱相互作用大质量粒子。DM-Ice的负责人、耶鲁大学的Reina Maruyama说,尽管新型探测器的背景噪声水平更高,但仍然有可能伪造或重现非常大的DAMA信号。
但是Calaprice认为高纯度比质量更重要。他和他的合作者已经开发出一种降低污染的技术,并在1月宣布他们是第一个获得比DAMA的晶体更纯净的晶体。他希望将背景级别进一步降低到DAMA的十分之一。
该项目名为SABRE(主动本底抑制的碘化钠),将在格兰萨索和斯塔维尔地下物理实验室各放置一个探测器,该实验室正在澳大利亚维多利亚州的一座金矿中建造。SABRE还将使用一个传感器从噪声中提取暗物质信号,它的总质量将达到50公斤。
Calaprice说,SABRE将在大约一年的时间内完成它的研发阶段,杏耀软件并将在那之后不久建造它的探测器。然后,它将把自己的技术提供给其他实验室——这是DAMA没有做到的。在北半球和南半球都有两个探测器可以弄清楚环境效应是否模拟了DAMA实验结果中的暗物质的季节性——如果信号来自弱相互作用大质量粒子,那么这两个探测器应该同时看到峰值。
罗马托尔维加塔大学的发言人丽塔·伯纳贝表示,DAMA至少要等到2017年才会公布最新的结果。对于即将到来的碘化钠探测器,她并没有屏息以待。她说:“我们的研究结果已经在每年14个周期的无数次交叉检查中得到验证,所以我们没有理由对其他人可能做的事情感到兴奋。”她补充说,如果其他实验没有发现这种年度调制,她的合作将得出结论:它们还没有足够的灵敏度。
这些球队能证明DAMA是对的吗?“一开始我不愿意相信DAMA的结果,甚至不愿意认真对待它们,”Ann Arbor的密歇根大学的理论天体粒子物理学家Katherine Freese说,她和她的合作者首先提出了DAMA使用的季节调制技术。但是,随着DAMA的数据的积累,他们的信号没有其他的解释出现,Freese现在很兴奋暗物质可能已经被发现的可能性。墨尔本大学的Elisabetta Barberio是SABRE澳大利亚分部的负责人,她说,事实上,很多人尝试重复DAMA的实验,但都失败了,这表明这并不容易。“越是深入研究他们的实验,就越能意识到他们做得很好。”