意大利启动最大最灵敏的暗物质实验
2015年11月11日,意大利格兰萨索国家实验室(LNGS)启动了迄今世界上最大最灵敏的暗物质实验——XENON1T。《自然》杂志评论称,XENON1T实验或将改变历史,或将排除超对称暗物质[1]。
暗物质研究是物理学和天文学最前沿的方向之一。暗物质的探测方法有三种:直接探测,间接探测,以及通过加速器创造出暗物质粒子。XENON1T实验是直接探测暗物质实验,即直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。XENON1T实验应用液氙作为探测器的介质,搜寻目前较为流行的暗物质候选者——大质量弱相互作用粒子(WIMP)。WIMP是由超对称理论预言的粒子,其质量被认为在100吉电子伏特左右。XENON1T探测器中含有3.5吨液氙,远远超过当今世界上最先进的暗物质探测器——美国的大型地下氙探测器(LUX)里370千克液氙的重量。但是,XENON1T实验的灵敏度是否超过LUX,还存在争议,XENON1T实验的一位发言人称运行一周后就能超过,而另一位发言人则称要在运行两个月后才能超过。XENON1T实验预计将于2016年3月底开始收集数据。表1列出了国际上领先的暗物质实验。
欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)也正在搜寻WIMP,被认为很有可能创造出暗物质粒子。如果XENON1T实验和LHC搜寻都一无所获,就基本排除了超对称WIMP的存在,也会给超对称理论带来沉重打击。
2015年12月17日,我国的暗物质探测卫星“悟空”发射升空[2]。“悟空”是中国科学院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一,其科学目标是间接探测暗物质,以及研究宇宙线物理和伽马射线天文。间接探测指的是探测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等。“悟空”的成功发射和在轨运行将有望推动我国科学家在暗物质探测领域取得重大突破。
表1 国际上领先的暗物质实验
| 
 位置  | 
 实验名称  | 
 探测器介质  | 
 开始时间  | 
 发现  | 
| 意大利格兰萨索山 | 
 CRESST-II  | 
 3千克钨酸钙晶体  | 
 2009年  | 
可能的暗物质信号后来被证明是背景信号 | 
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 DAMA /LIBRA  | 
250千克碘化钠晶体 | 
 2003年  | 
年度调制信号,仍然无法解释 | |
| 
 DarkSide-50  | 
 50千克液氩  | 
 2013年  | 
没有信号 | |
| 
 XENON1T  | 
 3500千克液氙  | 
 2016年春季  | 
前驱实验没有发现信号 | |
| 美国南达科塔州霍姆斯特克矿 | 
 LUX  | 
 370千克液氙  | 
 2013年  | 
没有信号 | 
| 日本神冈的茂住煤矿 | 
 XMASS-I  | 
 835千克液氙  | 
 2010年  | 
没有信号 | 
| 加拿大萨德伯里Vale Inco矿 | 
 PICO-60  | 
 37千克三氟碘甲烷  | 
 2013年  | 
没有信号 | 
| 美国明尼苏达州苏丹矿 | 
 CoGeNT  | 
 0.5千克锗晶体  | 
 2009年  | 
可能的暗物质信号后来被证明是背景信号 | 
| 
 SuperCDMS  | 
 9千克锗晶体  | 
 2012年  | 
没有信号 | 
(黄龙光)