國際科研團隊捕捉到暗物質粒子的可疑蹤跡

星空天文 發佈 2020-06-20T18:13:54+00:00

Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T, science.purdue.edu/xenon1t/wp-content/uploads/2020/06/xenon1tlowersearches.pdf。

一個似曾相識的陌生背影。

TNG

近日,國際科研實驗合作組織XENON 宣布,當今全球靈敏度最高的暗物質探測器——XENON1T探測到了一個「令人吃驚」的異常現象。

XENON的科學家表示,他們發現有一類發生在粒子間的事件出現次數異常偏高。他們不知道是什麼原因導致了這種超量事件。其特徵與微量氚殘留相似,但也有可能表明他們發現了一種新粒子,亦或是中微子的一種新屬性。

XENON1T探測器深埋在義大利地底1400米處,其主要任務是為了探測暗物質。

暗物質占宇宙質能總和85%,但是看不見也摸不著。科學家只能通過間接證據推測它的存在。有一種觀點認為,暗物質是由一種所謂的「弱相互作用大質量粒子」構成的,而XENON1T就是想發現這種粒子。

XENON1T探測器內裝載著3.2噸超純液氙,其中2噸是作為探測粒子相互作用的「靶子」而存在的。目標粒子一旦穿越「靶子」,就會使氙原子產生微弱的光信號,並釋放出一個電子。這種發生在粒子間的事件,大部分是已知的。因此科學家必須十分小心地對無效的「背景事件」數量進行評估。而在一次評估中,科學家發現事件數量比預計的232多了53個。

這多出的53個事件,其幕後「導演」是誰?一種解釋認為,這些超量事件是殘留在傳感器上的微量氚產生的。氚是氫的放射性同位素,能夠通過衰變產生電子,其衰變過程的能量特徵和觀測所見十分相似。但是當前沒有能夠證明或推翻這一假設的獨立測量數據,因此以此作為確定性解釋尚無可能。

第二種解釋是,這些超量事件是由一種新粒子製造出來的。這些事件的能量頻譜與理論上一種由太陽產生的「軸子」十分相似。這種假想的粒子有「時間反演對稱性」,而太陽能夠大量地製造它們。雖然太陽軸子並不是暗物質粒子的候選者,但是如果發現它們,就意味著人類發現了一種雖然理論構建十分完善,卻從未真正發現過的新型粒子,將極大地衝擊人類對基礎物理和天體物理現象的認識。而在理論上,早期宇宙產生的軸子就是暗物質之源。

此外,這些超量事件也有可能與中微子有關。每秒鐘都有上萬億的中微子不受阻擋地從我們的身體穿過。超量事件的發生,可能是因為中微子的磁矩比基本粒子標準模型預言的要大。如果是這樣,那麼也足以引發一次小範圍的物理學革命。

XENON的科學家表示,在以上三種可能性中,第二種的吻合度最高。

[參考] Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T, science.purdue.edu/xenon1t/wp-content/uploads/2020/06/xenon1tlowersearches.pdf

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