迷人的暗物質信號持續了20年

迷人的暗物質信號持續了20年

在這張來自宇宙模擬的圖像中,星系形成了一個由暗物質組成的網狀結構圍繞著大量的暗物質

在意大利實驗的物理學家們繼續看到數據的波動,他們說這代表了暗物質——但是這個謎團卻在加深。

一組物理學家說,它仍然在探測暗物質的存在——這是一種神秘物質,被認為是宇宙中85%的物質——在它看到了第一個信號的跡象後20年。

DAMA系統是由意大利和中國的研究人員合作完成的,它宣佈了人們期待已久的六年數據採集的結果,在2010年進行了一次升級。這一發現對於試圖重現DAMA的研究結果的多個團體來說是一個鼓舞,這一結果一直備受爭議,與其他實驗的結果相矛盾。但是,物理學家們說,DAMA的靈敏度的提高也使得它的結果更難解釋。

對星系和宇宙原始輻射的觀察表明,絕大多數物質都是一種無形的物質,幾乎完全通過重力作用相互作用。許多理論都是用來解釋暗物質的本質的,許多實驗都試圖通過與普通物質的微妙的相互作用來檢測它。

麗塔伯納比是羅馬大學的一名物理學家,他從早期就開始領導DAMA,他在3月26日在意大利中部格蘭薩索國家實驗室的一次會議上展示了最新的研究成果,實驗地點在一座山下的洞穴裡。她的演講的幻燈片可以在網上找到,伯納比告訴自然雜誌,她的團隊在完成對結果的論文時不會發表評論。

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尋找暗物質的物理學家們希望能夠測量出,當被認為包裹在銀河系的暗物質“光環”中的粒子與地球上普通物質的原子相互作用時,所釋放出的微量能量。

DAMA的工作原理是,當亞原子粒子擊中鈉或碘原子的原子核時,在碘化鈉晶體內發生短暫的閃光。一些閃光是由於雜散中子和其他背景輻射的碰撞而產生的。但是,來自銀河系暗物質的信號會很突出,因為它會顯示為一種典型的年調製。

這是因為當太陽在星系周圍移動時,光環應該會像頭風一樣撞擊太陽系,從地球上看,地球繞太陽公轉的速度會有輕微的變化。地球移動的速度越快,它就會產生更多的暗物質探測,因此,在一年中所探測到的閃光的數量會有所不同。位於安阿伯市的密歇根大學的理論天體粒子物理學家凱瑟琳弗雷斯說,這些信號應該在6月初達到峰值,並處於12月初的最低點。她是1986年第一次提出這種波動的研究小組的成員之一。

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光環的疑問

但是,當DAMA在1997年的一個早期版本的實驗被開啟後不久,當DAMA第一次宣佈它已經看到了這樣的波動時,物理學界對此表示懷疑。批評家們懷疑這種效應是暗物質的真正標誌。相反,他們說,地面上的來源或設備上的怪癖可能是在模仿一個真實的信號。還有一種可能性是,在部分探測器被更新的技術取代後,光點會消失。但這並沒有發生。“調製仍然在那裡,響亮而清晰,”弗雷斯說。

一些越來越複雜的實驗也應該能看到暗物質——儘管使用了不同的技術——到目前為止還沒有發現。但DAMA團隊仍在繼續看到波動。該組織證實,它最近在20132年看到了這一信號,這是之前的一項實驗,名為“dama/天秤座”的第一階段。最新的發現來自於升級版的DAMA/天秤座第二階段,其他的實驗第一次嘗試用與DAMA相同類型的碘化鈉晶體來證實或反駁這種說法。

在韓國的陽陽地下實驗室進行的一項美國和韓國實驗是COSINE-100。大田的基礎科學研究所的物理學家Hyunsu Lee說,如果DAMA的信號在新數據中消失了,那將會抑制進一步進行碘化鈉實驗的動機。

“對我們來說,這些結果是非常令人鼓舞的,”西班牙薩拉戈薩大學的物理學家Susana Cebrian說,他在比利牛斯的can法郎地下實驗室進行了另一種複製嘗試,叫做ANAIS。

迷人的暗物質信號持續了20年

意想不到的偏差

但是DAMA的最新研究結果卻有一個轉折。這次升級使它對低能量的碰撞敏感——來自較慢的粒子的信號。對於典型的暗物質模型,從地球上看,波動的時間應該會在一定的能量下反轉:“它應該在12月達到頂峰,在6月達到最低點,”Freese說。最新的結果並沒有顯示出這一點。

位於伊利諾斯州的芝加哥大學從事暗物質探測研究的實驗物理學家胡安科勒說,這種偏差“令人耳目一新,為思想提供食物”。“模型建造者將會有一個球,”他補充道。“它可能指向一個平凡的起源,或者一個邪惡複雜的暗物質解釋。”

但許多物理學家仍然表示懷疑。位於伊利諾斯州巴達維亞的費米國家加速器實驗室的物理學家丹胡珀在3月26日的推特上寫道:“我是一個非常有創造力的暗物質模型建造者(如果我自己說的話),我就不能想出一個可行的模型來產生這個信號。”

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Freese並不是DAMA合作的一部分,他的樂觀程度更高。她說,低能量的數據仍然是暫時的,而且可能與flip兼容。

“比以往任何時候都更緊迫的是,一個基於同樣技術的獨立實驗,像ANAIS一樣,可以重現這種效果,”Cebrian說。她說,她的團隊將在今年8月結束其第一年的數據採集工作,並計劃在今年年底前公佈結果。

到那時,COSINE-100將積累兩年的數據,並打算髮布第一個結果。澳大利亞和日本也計劃進行其他實驗;日本研究人員希望在神岡地下天文臺建立的PICO-LON探測器,將致力於對那些“低能量事件”特別敏感,在Tokushima大學領導這一努力的Kenichi Fushimi說。

儘管DAMA的最新升級消除了一些潛在的擔憂,即這種影響可能是在探測器內部產生的,但 Collar說,“然而,謎團仍然是為什麼他們的結果與這個領域的其他發現不兼容。”


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