大約20年前意大利格蘭薩索國家實驗室的DAMA/LIBRA實驗開始公佈數據，顯示它已經探測到與銀河系暗物質暈相互作用產生的信號調製。據信暗物質約佔已知宇宙的27%，而普通物質僅佔4%。剩下的69%被認為是由暗能量構成的。由於暗物質與普通物質的相互作用很弱，迄今為止，人們只能從恆星、星系和星系團等可見天體的引力效應中推斷出暗物質的存在。根據最廣為接受的模型，地球、太陽和星系自身的聯合運動，對地球上的觀測者來說，產生了一種暗物質風——更確切地說，是一種由相互作用較弱的大質量粒子或大質量弱相互作用粒子(WIMPs)構成的風，這些粒子被認為是構成暗物質的假想粒子。

博科園-科學科普：在地球圍繞太陽的年度軌道中，探測器與弱相互作用大質量粒子相互作用的信號，當行星向風的相反方向運動時增加，當它們向同一方向運動時減少，波動是餘弦曲線。DAMA/LIBRA人事部門表示，他們已經探測到信號的速率在一年當中隨著餘弦波的變化而變化，並且它們對應著暗物質的特徵。問題是，自從這一發現首次公佈以來，還沒有任何其他實驗證實過這一特徵。應該強調的是，其他實驗使用不同的材料和分析技術。為了檢驗DAMA/LIBRA數據與其他實驗數據之間的差異，並尋找暗物質存在的有力證據，cosin -100在韓國陽陽地下實驗室y2l地下700米處建造。

• 巴西研究人員正在參與COSINE-100實驗，該實驗位於韓國地下700米。《自然》剛發表了一篇關於首次運行數據的文章。圖片：thallium-doped sodium iodide crystals in dark matter detector / COSINE-100

2018年12月發表在《自然》上的一篇文章展示了COSINE-100前59.5天數據的結果。Nelson Carlin Filho，聖保羅大學物理研究所(IF-USP)教授和兩名監督者共同參與了COSINE-100國際合作。COSINE-100前59.5天的結果未能證實來自DAMA/LIBRA的數據。得到的結果與弱相互作用大質量粒子特徵不符。卡林強調，這一負面發現尤其重要，因為DAMA/LIBRA和cos -100都使用由碘化鈉(Nal)晶體制成的探測器。這是首次發表的由這種材料組成探測器的發現，這種探測器具有足夠的尺寸和靈敏度來研究DAMA/LIBRA信號區域。並不是說DAMA/LIBRA的研究人員錯了，它們可能捕獲了實際信號中的週期調製。

然而除非暗物質模型得到顯著修改，否則這些信號極不可能歸因於與弱相互作用大質量粒子的相互作用。無論如何，工作才剛剛開始。在完全證實或駁斥達瑪/天秤座聲稱的年度調製之前，還需要幾年的數據。COSINE-100探測器由8個摻鉈的碘化鈉晶體組成，總質量為106公斤。每個晶體都與兩個光電倍增管耦合，以測量晶體中沉積的能量。整個陣列浸沒在2200升液體閃爍體中，周圍環繞著銅、鉛和塑料閃爍體面板。所有這些屏蔽的目的（以及在地下700米安裝探測器的決定）是為了減少由宇宙射線(μ介子)、宇宙背景輻射(來自原始宇宙的光子，在微波波段被探測到)和探測器材料發射的粒子所造成干擾。觀察暗物質粒子和探測器材料之間相互作用的可能性很小。除了屏蔽，重要的是分析信號的形狀，以排除背景的影響。

基於使用暗物質暈的標準模型進行高度複雜的統計處理，以及蒙特卡羅模擬和其他資源，cos -100定義了一條曲線，該曲線被認為是探測材料中WIMPs與原子核相互作用的“排除極限”。這一極限證實並微調了先前實驗所確定的極限。這條曲線是用二維笛卡爾座標系繪製。wip -核子散射截面在y軸上，簡單表示相互作用的概率，WIMP質量在x軸上。任何座標可以繪製在排除界限以下事件都是候選的wimp -核子相互作用。它上面的任何事件都不能滿足按照模型進行交互的必要條件。達瑪/天秤座的信號超出了限制，請注意，除了使用與DAMA/LIBRA[碘化鈉晶體]相同材料製成的檢測器外，cos -100還使用了類似的事件選擇技術。這減少了由於實驗差異而導致的結果差異。沒有發現暗物質，發現DAMA/LIBRA的測量結果與暗物質暈的標準模型不一致。

暗物質理論

現在科學界普遍認為暗物質是存在的。1933年瑞士天文學家弗裡茨·茲威基(Fritz Zwicky, 1898-1974)在對銀河系自轉速度的研究中發現了第一個證據。茲威基意識到，根據觀測到的發光質量，星系的自轉速度比它們本應達到的速度要快。他還提出，另一種物質——他稱之為“dunkle materie”(德語為“暗物質”)的引力作用，肯定在影響著這些速度。20世紀70年代，美國天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin, 1928-2016)在一項星系自轉速度的系統研究中證實了茲威基的假設。魯賓的嚴謹計算得到了後續研究證實，結果表明，相關星系的暗物質含量至少是正常物質的5到10倍。今天，基於星系的旋轉速度和其他證據，比如愛因斯坦首先提出的引力透鏡效應，以及背景微波輻射，宇宙組成的公認比例大約是4%的正常物質，27%的暗物質和69%的暗能量。

如果暗物質的存在被廣泛接受，現在的問題是確定它是由什麼組成。基於wimp模型仍然是最廣泛接受的模型。這種粒子被認為只通過重力和弱核力與正常物質相互作用。這大概就是為什麼它們沒有被持續檢測到的原因。由於未能探測到大質量弱相互作用粒子，科學家們提出了軸子和暗光子等替代方案。沒有什麼能阻止暗物質由幾種不同的元素組成，還有許多工作要做，cos -100仍然在進行第一步。下一步，也是很重要的一步，是嘗試再現年調製或者證明它不能再現。這實際上正在進行中。也在準備實驗的第二階段，cosin -200，用200公斤的晶體，安裝在韓國的另一個地方。

博科園-科學科普｜研究/來自：FAPESP

參考期刊文獻:《自然》

DOI: 10.1038/s41586-018-0739-1

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