暗物质已被发现?科学家质疑dama实验结果

来源:网易科技发布时间:2018-04-19

经验告诉我们,它很可能不是暗物质。

据国外媒体报道,暗物质是物理学家们推测的宇宙中存在的不可见粒子,其引力影响着周围的一切。20年来,意大利一个称之为dama的实验一再坚持声称已经发现了一种可能来自暗物质的调制信号。但是从未参与实验的研究人员也提出了严肃的论点,反对将暗物质作为信号的来源。

暗物质已被发现?科学家质疑dama实验结果

作为持续时间最长、规模最大的寻找暗物质粒子的实验之一,dama声称观察到了暗物质的存在。该实验声称可以捕获虚拟粒子与普通粒子之间发生相互作用的证据。但是,如果确实如其所说,可见和不可见世界之间的这些差异特征产生了dama的实验数据,那么现在进行的其他几个实验也应该能够检测到暗物质。但目前还没有。

上个月晚些时候,dama实验领导者、罗马Tor Vergata大学的丽塔·贝尔纳贝伊(Rita Bernabei)介绍了近六年的实验结果。她报告说,dama实验所获得的信号看起来和以前一样强大。但是从未参与实验的研究人员也提出了严肃的论点,反对将暗物质作为信号的来源。

Dama实验所寻找的暗物质称为弱互相影响大量粒子wimp。实验中,科学家对放置在亚平宁山脉格兰萨索山深处的一系列碘化钠晶体进行监测,寻找可能由暗物质粒子与晶体衷的原子核碰撞产生的辐射闪烁。当太阳系在银河系中运行时,“看起来弱互相影响大量粒子就会像一阵风一样迎面扑来,”密歇根大学的物理学家凯瑟琳·弗里斯(Katherine Freese)解释说,其于1986年基于这个想法提出了实验,“就像当你开车时,雨水会打在挡风玻璃上一样。”

与这个假说完全一致的是, dama实验的科学家们发现晶体中原子核的活动在一年中的不同时间短各不相同。这一信号总是在六月达到高峰,那时地球正以最快的速度穿过黑暗的、充满尘埃的星系;而在十二月份的时候,当地球进入公转轨道的近日点,和整个太阳系围绕银河系的运动方向正好相反,相对于暗物质的速度也就会慢下来。

最新的实验称为dama / libra-phase 2,开始于2011年。在获取了六个地球轨道的数据之后,研究小组报告说他们继续发现了一致的季节性信号。正如贝尔纳贝伊指出的那样,“年度调制信号和接收程序确保了对大量可能存在的暗物质候选物的敏感。”

外部专家另有看法。在4月4日发表在物理预印网站ArXiv.org上的一篇论文中,三位物理学家表示,标准wimp暗物质无法产生新的dama信号。 “每个人都想要的标准wimp暗物质已经消失了,”弗里斯如是指出。她与自己的学生塞巴斯蒂安·鲍姆(Sebastian Baum)和北佛罗里达大学的克里斯·凯尔索(Chris Kelso)合著了这篇新论文。

弗里斯和她的同事专注于dama数据的一项新特性。作为dama / libra-phase 2升级的一部分,格兰萨索山的研究团队更换了硬件,使其探测器对碘化钠晶体内的低能量激发更加敏感。 贝尔纳贝伊报告说,在较低能量激发的原子核反冲装置中发生的年调制信号与高能反冲信号大致相似。

但如果标准wimp暗物质真的是年调制信号的来源,那么低能量反冲应该相对于高能反冲而有所改变,弗里斯及其论文合著者写道。他们发现,6月至12月原子核活动的变化幅度要大得多。也就是说,相比于高能状态,低能状态的下信号幅度要取决于暗物质粒子是轻还是重。如果wimp粒子较轻,那么在低能状态下,其与较轻的钠原子发生碰撞的频率要远高于较重的碘原子。总体来说,由于其所需能量是最低的,因此dama实验所获的信号应该是最强的。或者从另一方面说,较重的wimp粒子几乎只会与低能状态的碘原子相互作用,很少与钠原子发生作用。在这种情况下,dama在低能状态下获得的信号会变弱。

伦敦国王学院理论物理学家乔纳森·戴维斯(Jonathan Davis)说,“相反,在dama / libra阶段2的数据中都没有看到这种变化,这很难用暗物质来解释。”

弗里斯们则在论文中指出,在旋转存在的情况下,wimp仍然会产生观察到的年度调制:这种暗物质粒子对质子的偏好远大于中子,这导致其更多地与钠相互作用,而不是碘(其中有更多的中子)。然而,几位物理学家表示,这种特殊的“异旋破坏”性质可能会影响其他暗物质实验的结果,如XENON1T,这也是位于格兰萨索山之下的液体氙气探测器,重达3.2吨,但没有发现类似效果。

而XENON1T等暗物质探测器的沉默,已经让很多专家对于dama实验失去希望。这些在不同类型材料中寻找核活动的实验已经公布了一系列无效结果,排除了大量与dama实验信号相关的wimp粒子。

然而,此前也有人认为暗物质可能对碘化钠具有不明原因的亲和力。但4月4日的分析改变了这一点。 “他们在这篇论文中所表现的很好的一点是......你可以用它来排除dama,而不是其他实验,”苏黎世大学物理学家和XENON1T实验合作成员劳拉博迪(Laura Baudis)说。

尽管使用暗物质来解释dama实验信号很困难,但用其他任何方式理解它同样困难。几十年来,专家们一直在思索其他更为世俗的解释。芝加哥大学物理学家、领导CoGeNT暗物质实验的胡安·卡勒(Juan Collar)指出:“很多解释提出后被推翻。目前我个人还无法拿出一个合理的解释。”

戴维斯在2014年的《物理评论快报》中认为,年度调制都来自于七月份暗物质粒子对地球的强烈轰击地球,以及一月份太阳中微子的峰值效应。但其他物理学家很快发现,后者的季节性效应太小,至少不像他所认为的那样产生信号。加州大学伯克利分校物理学家丹尼尔·麦肯锡(Daniel McKinsey)在一篇引起轰动的新论文中认为,dama实验产生的信号可能来自氩气污染。某些氩放射性同位素的衰减或多或少地有季节因素。然而,这种解释只有在dama在实验过程中使用含有未知氩气的情况下才起作用。

许多研究人员表示,贝尔纳贝伊和dama团队缺乏透明度,导致对事实理解的减缓。例如,弗里斯和她的合作者分析的一个局限性是,dama并没有公布关于背景效应是否会在更低能量上放大还是缩小的信息,让外部研究人员认为这些效应已经得到了修正。

“我确信,如果他们完全向业界开放信息,”比如共享他们的数据,“我们将会了解到导致年度调制的根本原因,”戴维斯说。但是,dama科学家只提交了他们最终确定的数据图,并强烈认为他们发现的信号是暗物质的证据,并且对任何提出不同意见的人都采取“好斗的方法”,他说。

其他组织的实验也不得不继续。在接下来的几年里,三个新的碘化钠晶体实验将开始产生成果:anais,COSINE-100以及sabre。特别是其中的sabre实验,相关物质被分别放置于格兰萨索山和澳大利亚的地下实验室。通过在南北半球的夏季和冬季交替进行实验,sabre将消除季节性影响。

“只要物理学仍然是一门实验科学,提高知识水平的唯一途径就是改进测试方法,”科勒说。补充实验要么不会看到调制,在这种情况下,“我们将不得不翻开新的一页,找出dama的错误异常情况,”他说。或者他们会看到与之类似的东西,在这种情况下,“我们将不得不努力研究暗物质模型,这也解释了其他探测器材料的零观测结果。”

“经验告诉我们,它很可能不是暗物质,”纽约大学理论物理学家尼尔·韦纳(Neal Weiner)说,“但是我确信这是一件有趣的事情。”

弗里斯说,最终新的数据发布和她的团队分析并不会改变大局。她说:“你仍然需要使用同样的材料制作探测器,但是不同的人会在不同的地点做同样的事情......来弄清楚到底发生了什么,”她说,“因为没有人理解dama实验。”

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