一个异常事件，会是暗物质粒子的首次踪迹吗？

近一个世纪以来，大量的天文观测表明，宇宙中除了可见物质之外，还存在着本质完全未知的暗物质。这种不可见的物质约占宇宙物质总质量的85%，但迄今从未被直接探测到。

数十年来，理论物理学家一直认为，暗物质的主要候选者之一是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。但到目前为止，没有任何实验成功找到WIMP存在的证据。因此，许多研究人员也将注意力转向其他可能的暗物质候选粒子，比如轴子。

LUX-ZEPLIN（LZ）是一项于2021年底开始运行的国际合作实验，由来自39家机构的250名科学家和工程师共同参与。这一实验利用10吨超纯液态氙来直接探测暗物质，并针对WIMP的探测进行了优化。

9月1日，LZ合作组公布了对2023年3月至2024年4月期间220个有效运行日数据的最新分析结果。研究人员发现了一个格外引人注目的事件：一次粒子相互作用产生了异常的高能信号，而他们很难用来自普通物质的已知背景过程来解释它。

研究团队已在预印本平台arXiv发布相关论文，并将论文投稿至《物理评论快报》。

向更高能量搜索

在这些数据中，研究人员重点寻找一种罕见的闪光信号：当高能粒子撞上氙原子核时，会使原子核高速反冲，从而产生这样的信号。通常，这类暗物质搜索主要集中在低能区域，也就是核反冲能量低于50 keV（千电子伏特）。

LZ利用一个充满液氙的圆柱形探测腔来寻找暗物质。探测腔外围还包围着多层探测与屏蔽装置，用于探测或阻挡背景粒子（左）。当一个WIMP与氙原子发生碰撞时（右），会产生一道闪光并释放电子。闪光会被液氙探测腔顶部和底部的探测器捕捉；与此同时，电场会使这些电子漂移到探测腔顶部，并在那里产生第二次闪光。

此前，LZ合作组已经利用这批数据寻找过最简单类型的WIMP相互作用所产生的微弱信号。而在这次分析中，研究人员将核反冲的搜索范围进一步扩展至约270 keV，从而能够寻找更多可能产生高能反冲的WIMP相互作用。LZ对这类信号具有较高的灵敏度，同时也能尽可能减少背景事件造成的干扰。

这得益于实验对背景信号的严格控制。LZ探测器深埋地下，以屏蔽来自宇宙空间的高能粒子，同时还通过外围屏蔽系统和精细的数据分析方法，尽可能识别并排除由中子等普通粒子产生、可能伪装成暗物质信号的事件。

事实上，LZ以及另外两项暗物质直接探测实验——XENON和PandaX——此前都曾在这一能量范围内开展过搜索。但当时使用的还是规模更小的早期探测器，数据量也相对有限，最终都没有发现超出预期背景的信号。

只留下一个事件

在这次新的分析中，为了避免研究人员在处理数据时受到主观判断的影响，LZ合作组事先在真实数据中随机加入了大量模拟的暗物质事件。研究人员在分析过程中并不知道哪些事件是真实的、哪些是人为加入的，只有在分析方法和筛选标准全部确定后，才会移除这些模拟事件，检查真实数据中是否还存在符合筛选条件的候选事件。

结果显示，当所有模拟事件被移除后，真实数据中留下了一个无法轻易解释的异常事件：这个异常事件对应一次能量约为248 keV的核反冲。

研究人员估计，如果这个异常事件确实是由暗物质粒子引起的，那么产生它的WIMP质量至少要达到约200 GeV/c²，而且很可能在1000 GeV/c²左右——也就是至少相当于200多个质子的质量，甚至可能接近1000个质子的质量。与此同时，这一事件还暗示，WIMP与普通物质之间的相互作用方式可能并非最简单的那一种，而是涉及更复杂的相互作用模型。

真正的检验才刚开始

LZ团队表示，这个事件之所以引人关注，是因为它恰好出现在暗物质信号可能出现、而已知背景预期又较低的区域。不过，目前观测到的毕竟只有一个事件。研究人员强调，他们并没有声称已经发现暗物质，而只是发现了一个现阶段难以用已知背景解释的高能事件，因此希望将结果公开，让整个科学界共同检验。

从统计上看，这一结果也远未达到“发现”的标准。粒子物理学通常以5σ作为宣称发现的门槛，而此次分析的全局显著性只有2.6σ，也就是说，这个异常事件仍有约0.5%的概率可以由已知背景解释。

真正的检验将来自更多数据。随着观测继续积累，研究人员将能够判断这个异常的统计显著性究竟会不断增强，还是最终逐渐消失。LZ目前已经积累了全球规模最大的暗物质直接探测数据集，并将继续收集WIMP搜索数据，为验证这一事件提供更强的统计基础。

#参考来源：

https://newscenter.lbl.gov/2026/09/01/lz-sees-surprising-result-in-search-for-dark-matter/

https://www.brown.edu/news/2026-09-01/lz-dark-matter-results

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01985-9

#图片来源：

封面及首图由《原理》使用 AI 辅助设计，素材来源：Matthew Kapust/Sanford Underground Research Laboratory