地下实验对有争议的暗物质主张提出质疑

地下实验对有争议的暗物质主张提出质疑

建造了COSINE-100探测器,以重现有争议的暗物质探测声明。

Jay Hyun Jo
地下实验对有争议的暗物质主张提出质疑

二十年前,在意大利地下Gran Sasso国家实验室进行暗物质(DAMA)实验的物理学家 - 这些物质的重力可能会将星系固定在一起。 现在,第一个旨在直接测试DAMA有争议的声明的实验已经发布了它的第一个数据。 在韩国使用COSINE-100探测器的物理学家表示他们没有看到暗物质的迹象 - 但仍然需要几年时间才能真正为DAMA提出要求。

“他们还不能排除DAMA信号,”密歇根大学安娜堡分校的理论物理学家Katherine Freese说,他没有参与任何一项实验。 “但令人兴奋的是,他们将能够排除它。”或者,尽管可能不太可能,但要确认一下。

天体物理观测显示,隐形暗物质占所有物质的85%。 我们自己的星系被认为存在于巨大的云中。 然而,科学家们仍然不知道暗物质是什么。 几十年来,实验者一直在寻找它漂浮的颗粒,大多数都无济于事。 为了寻找暗物质,物理学家在地下深处部署了超灵敏探测器,在那里它们可以屏蔽宇宙射线和其他背景辐射。

然而,自1998年以来,DAMA合作声称已经看到了这样的信号。 该团队的探测器由掺有铊的碘化钠晶体组成,当某种粒子(常规或暗物质)撞击物质内的核并使其飞行时,会产生闪光。 正如Freese和一位同事在1986年预测的那样,DAMA团队已经看到碰撞率的年度变化可能是暗物质的强烈迹象。

如果我们的银河系被暗物质笼罩,那么当太阳绕着银河系中心转动时,它应该经常犁入暗物质粒子的风中。 此外,当地球绕太阳运转时,它应该交替冲入和流出那股风,导致暗物质碰撞的速度在一年中逐渐消失。 如果暗物质由理论家最喜欢的候选粒子(称为微弱相互作用的大质量粒子(WIMP))组成,那么信号应在6月达到峰值并在12月达到最低点 - 正如DAMA所看到的那样。

其他几个探测器未能看到信号。 然而,这些探测器使用较重的元素,如氙,硅和锗作为目标核,DAMA研究人员说,这可以解释这种差异。 “即使考虑到这些结果,考虑到大量的实验和理论上的不确定性,也可能存在兼容性,”罗马大学Tor Vergata的物理学家兼DAMA团队负责人Rita Bernabei说。

为了解决困惑,COSINE的研究人员建造了一种也使用铊掺杂的碘化钠晶体的探测器。 “我进入这个领域测试DAMA结果,我很惊讶其他人没有,”耶鲁大学的物理学家,50名成员COSINE团队的联合发言人Reina Maruyama说。 自2016年以来,这个106公斤的探测器一直在韩国东海岸的阳阳地下实验室收集地下700米的数据。 COSINE研究人员今天在“ 自然”杂志上报道,其最初的59.5天数据 。

那么DAMA索赔的COSINE结果也是如此? 不完全的。 只有2个月的数据,COSINE的研究人员无法寻找明显的年度变化,而只是寻找超出背景辐射产生的背景的事件。 Maruyama说,缺乏过度排除了DAMA看到最简单的WIMP类型的可能性。 但是伯纳贝说,测试太弱了,无法做到这一点。 “背景建模是一个非常不确定的过程,低能量通常是不可靠的,”她说。

但是,Freese说最简单的WIMP版本已被DAMA自己的数据所排除。 这个论点很棘手,但最简单的WIMP版本应该以一种特别简单的方式与细胞核相互作用,而不依赖于细胞核的旋转。 Freese解释说,在这种情况下,DAMA年度周期中的峰值和谷值应该会为低能量事件移动6个月。 然而,DAMA今年早些时候提出的低能耗数据显示出未发生的振荡。 Freese说,DAMA可能会看到更复杂的WIMP版本或其他一些暗物质粒子。 Bernabei辩称,DAMA仍然可以看到最简单的WIMP版本。

所有人都同意,为了真正把DAMA声称放到测试中,COSINE研究人员将不得不寻找DAMA看到的相同年度变化 - 这可以帮助将一个较弱的信号拉出背景。 Maruyama表示,COSINE已经拥有2年的罐装数据,而且还需要3年才能完成测试。 另外两个实验也试图用碘化钠探测器直接挑战DAMA结果。

最终,所有物理学家都希望能够发现暗物质。 所以Maruyama说她会“喜欢”重现DAMA信号。 如果COSINE不能这样做,Freese说,“我们可能永远都不知道是什么造成了DAMA信号。”

*更正,12月7日,上午11:27:这个故事已经更正,请注意,根据Freese的说法,DAMA结果与最简单版本的WIMP不一致,而不是之前暗示的假设粒子的所有版本。

*更正,12月10日,下午12:50:这个故事已被更改为更准确地反映Maruyama对COSINE-100数据的解释。