北京
虽然这只是一个数据点，却足以让物理学家大吃一惊。2023至2024年间的某个时段，一台装载10吨超纯液氙的探测器记录到一次不同寻常的高能闪光。这类信号可能是穿行于银河系的大质量暗物质粒子与原子核发生碰撞所产生的。
如果这一观测结果能得到更多数据的支持，或许意味着人们终于发现了暗物质。这种不可见的物质被认为维系着星系，防止其分裂。它同时也将证实，暗物质由质量远大于质子的粒子构成，即弱相互作用大质量粒子（WIMP）。该粒子早已被理论预言，但数十年来始终未被探测到。
美国南达科他州利德市桑福德地下研究设施的全球最大暗物质探测器LUX-ZEPLIN（LZ）的实验团队，于9月1日在日本山形县天童市举办的TeV粒子天体物理大会上宣布了上述结果，并在实验网站公布了预印本论文。
哈勃空间望远镜拍摄的图像展现了巨型星系团中心的暗物质分布。图片来源：NASA/JPL-Caltech/ESA/IAA
数十年来，理论学家一直假设暗物质的主要组分是WIMP。但无论是探测穿过地球的暗物质，还是借助瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）通过粒子对撞来制造暗物质，均一无所获。不少科研人员转而把目光投向其他候选粒子，如质量极轻的粒子。
LZ探测器于2021年底正式运行，是此前基于液氙直接探测暗物质的升级版。在这项研究中，LZ合作组成员、英国布里斯托大学的Samuel Eriksen和同事分析了2023年3月至2024年4月共计220天的观测数据。
他们重点研究高能粒子撞击氙核产生的罕见闪光，这种撞击会使后者高速反冲。Eriksen解释说：“以往这类探测大多聚焦低能区间，也就是沉积在氙核上的能量低于50千电子伏特的区域。而这次我们把探测上限拓展到270千电子伏特。”
LZ实验发言人、美国布朗大学的Richard Gaitskell介绍，为避免自身偏差，LZ合作组在每一轮数据分析中都会“添加”大量随机生成的事件，以模仿暗物质事件的特征。只有在处理完一批数据后，研究人员才会“去除”这些干扰，以查看是否存在真实的暗物质信号。
“去除干扰后，只剩下唯一一个事件。毫无疑问，这令人无比振奋。”Gaitskell说。
这个“超额”事件是一次反冲信号，在探测器中沉积了248千电子伏特的能量。LZ合作组估算，能造成这种反冲的暗物质粒子的质量至少相当于200吉电子伏特，可能在1000吉电子伏特左右（1吉电子伏特约等于一个质子的质量）。
“我们观测到的只是一个高能事件，并没有宣称这就是暗物质。”Eriksen表示。
LHC的ATLAS实验研究人员、英国曼彻斯特大学的Caterina Doglioni说：“有一点可以确定，这个事件非常引人注目。”
美国芝加哥大学的Juan Collar认为，LZ合作组已经有效排除了放射性本底的干扰。但他同时指出，放射性本底和WIMP假说这两种解释都存在同一个问题——除了高能反冲，二者理应同时带来大量低能反冲事件，而LZ并未观测到这类低能超额信号。
即便如此，Eriksen说，团队在判定这种现象无法用已知物理学解释后，决定对外公布结果。“这件事值得向学界公开。”Collar对此表示认同：“遇到这样一个数据点，如果不做必要的报告，那才是不合理的。”
ATLAS实验与LHC的另一个CMS实验，一直在搜寻具备WIMP特征的粒子，目前已排除大量主流WIMP理论模型。但Doglioni称，这些实验“依旧没有彻底否定WIMP的存在”。如果这一信号真实存在，那么LZ实验、中国锦屏地下实验室的PandaX实验，以及意大利格兰萨索国家实验室的XENONnT实验已经收集到的更多数据，应该能够证实这一点。
“但愿我们最终能够揭开暗物质的真面目。”美国加州大学欧文分校的Simona Murgia说。
（原标题为《这是人类首次观测到暗物质吗？全球最大暗物质探测器发现一个奇怪粒子》）
来源：王方/中国科学报
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