江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外

DAMA研究中所探测到的信号并非源自暗物质和渺子 ， 而更有可能是人为因素造成
暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外
本文图片

图解：宇宙中含有有大量（约23%）暗物质 ， 唯人类对暗物质所知甚少 。 图源：维基百科
意大利DAMA1小组本来已经极具争议性和不确定性的暗物质观测 ， 可能有一个超乎他们预期的信号源 。 英国物理学家的研究指出 ， DAMA探测到的信号并非源自暗物质或背景辐射 ， 而更可能是DAMA探测器数据采集装置所带来的误差 。
暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外
本文图片

图解：意大利的大萨索国家实验室 。 图源：原文
暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外
本文图片

图解：DAMA-LIBRA实验2010年的照片 。 图源：The DAMA Project
从1998年开始 ， 研究员在 DAMA-LIBRA2实验（位于意大利地底的大萨索国家实验室）中暗物质探测器探测到的信号 ， 发现了周年变化 。 有些物理学家相信 ， 这个波动是地球经过银河系暗晕3的结果 ， 而这是人类首次直接侦测到暗物质 。 过去十七年 ， 这个研究更进一步收集到的数据给出了9.3σ的统计显著性──远多于平常粒子物理学上象征新发现的5σ 。 可是 ， 除了美国的CoGeNT暗物质实验 ， 全世界没有一个暗物质研究同样探测到类似的信号 。 这令大家对首次直接检测到暗物质一事存疑 。
暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外
本文图片

图解：一些科学家尝试以地球经过银河系暗晕解释DAMA信号的变化（因太阳围绕银河系中心旋转、而地球围绕太阳公转 ， 夏季时 ， 地球会以更高的速度经过银河系暗晕 ， 从而接触到更多暗物质 ， 令DAMA信号达到峰值；冬季则相反） 。 图源：Quanta Magazine
是渺子从中作梗？
于2014年 ， 身处法国巴黎天体物理研究所的英国杜伦大学物理学家乔纳森·戴维斯研发出一个可以解释上述信号的新模型 。 该模型表明 ， 分散在探测器内的中子可以轻易模仿出信号的周年变化 。 根据戴维斯 ， 当太阳中微子4和大气渺子5散射在遮盖实验装置的保护层和岩石内 ， 就会产生这些中子 。 他指出 ， 宇宙射线在大气衰变时产生渺子、以及太阳产生中微子的频率都会在一年间浮动 ， 并分别在6月21日和1月4日左右达到峰值 。 因此 ， 它们产生中子的频率亦会每年浮动 ， 并在上述两者之间（约五月末）达到峰值 ， 亦与DAMA的起落吻合 。 事实上 ， 渺子可以模仿出DAMA信号不是什么新鲜事 。 但因为渺子的变化与DAMA的数据有时间上的落差 ， 这个说法也就作罢 。 戴维斯的模型添加了太阳中微子这项因素 ， 就成功解决了这个问题 。
暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外
本文图片

图解：大萨索国家实验室附近的环境 。 图源：维基百科
【暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外】现时 ， 英国雪菲尔大学的维塔利·库德里亚夫采夫和乔尔·克林格首次在DAMA建立出渺子及其产生的中子的完整3D模型 ， 其中纳入了大萨索的山势和探测器的结构（包括所有保护层）等因素 。 有多年研究暗物质经验及会参与未来工程设计（如勒克斯-泽普林实验）的库德里亚夫采夫告知 ， 他和克林格有幸可以为DAMA碘化钠探测器做一个有关背景辐射的全面评估 。 这让他们明确知道先前观察到的事件的调制率是否由任何背景辐射引起 。 那些研究员说 ， 他们的调查结果显示 ， 由渺子引起的中子通量6若要模仿DAMA的调变7 ， 还是低了几个数量级 。
最低的影响
库德里亚夫采夫说 ， 虽然DAMA研究已经在他们的论文中预测了不同背景因素对数据的影响 ， 但至今仍未做出一个由渺子引起的完整模型 。 戴维斯2014年的文章亦只提出了一个简陋的模型 ， 于十一月时已被另一班研究员8驳回 。 他们认为 ， 渺子和中微子产生中子而带来的影响 ， 远比戴维斯的估算和DAMA侦测到的信号低 。
库德里亚夫采夫和克林格的研究结果亦与这个说法重合 。 综合以上两个结果 ， 这「显示了我们很难建立任何模型去解释DAMA信号 。 这个结论是从分析DAMA测量到事件的能谱 ， 以及计算背景辐射而来 。 」库德里亚夫采夫说 。 「测量到的能谱理所当然地与背景辐射的模型一致 。 那里几乎没有任何空间容纳暗物质、背景或者测量工具的误差等等的其他信号 。 」
出了名复杂
戴维斯已经回应了这些言论 。 他说 ， 虽然库德里亚夫采夫和克林格用来模拟中子从保护层和岩石产生、并到达探测器的软件包被大家广泛使用 ， 但要做出这种模型是真的「出了名复杂」 。 戴维斯指出 ， 现有能解释DAMA的暗物质模型大多复杂又不自然 ， 因此 ， 使用普通模型显然是他们的唯一选择 。「我个人认为 ， 人们使用这些模型时并不够创意 。 他们不清楚中子实际上是如何与DAMA探测器互动；虽然 ， 这是一个非常有争议性的问题 ， 也有些人反对 。 在这些模拟中 ， 中子只会分散在探测器内 ， 但现实中它们可能会有如中子俘获9（然后释放光子）等更进一步的互动 。 有些人曾经提出 ， 这个反应在很大程度上影响中子事件的频率 。 事实上 ， 很多事都比看起来难以理解 。 」
戴维斯亦说 ， 他论文的其中一个重点是「因为DAMA探测器不能分辨散射事件是由什么引起 ， 我们其实不知道那些事件是什么 。 我提出用中子做一个简单可行的模型以作为起点 ， 但现实中会有更多可能性 。 」他指出中子可能是被俘获而不单单是分散在探测器内 ， 或者可能有另一个与温度相关的信号源、甚至是有原子核以外的东西与电子散布在DAMA探测器内 。
基本的要求
库德里亚夫采夫说「我们不认为只讨论背景源调制的周期或相位、而不讨论它的振幅 ， 会有什么得着 。 那些调制信号或者有多个来源 ， 而很明显 ， 这是DAMA所使用的技术的一大缺点 。 」他解释 ， 目前暗物质研究中最前沿的实验「都依赖潜在信号和背景之间有力的区分 。 DAMA没有这个选择 ， 并需要测量总事件发生率及其时间变化 。 然而 ， 所有自称可以解释DAMA信号的模型 ， 应该与测得信号的振幅一致 。 」除此之外 ， 库德里亚夫采夫和克林格还指出了该模型应该要符合的其他要求 ， 例如：一、与DAMA事件发生率相比 ， 误差的幅度必须非常小；二、误差的调幅不能比它的平均振幅少太多；三、调制的周期和相位必须同时预测得到 。
库德里亚夫采夫表示「尤其是 ， 任何与预测背景辐射重合的信号 ， 应该要检测到所有能量的频率 。 这一刻 ， 我们没有看到任何一个符合以上所有的条件的相关模型 。 你要记住 ， 我们其实对辐射和渺子了解挺多… 明显比暗物质的多…所以如果我们完全相信DAMA对于他们完全控制温度等声明 ， 要解释DAMA信号是一件非常困难的事 。 」
虽然库德里亚夫采夫和克林格没有为DAMA信号给出一个可行的解释 ， 他们依然清楚知道那些信号并非源于暗物质 ， 因为其他实验已经排除了这个可能性 。 暗物质的信号亦不太可能与测量到的吻合 。「我们相信 ， 不论是暗物质还是背景 ， 我们很难以任何模型解释DAMA信号 。 测量到的事件发生率留下不多空间给背景辐射和那些信号 。 」库德里亚夫采夫补充 ， 它可能是「由DAMA分析数据时排除了光电倍增管噪音而导致的人为影响 。 如果把噪音跟真实事件分开的误差会随时间改变 ， 在某些时候 ， 更多事件可能被接纳为真实事件 ， 令事件发生率中出现调变 。 当然 ， 这只是一个猜测 。 我们没有证据证明数据分析时出现了这事 。 」戴维斯则相信 ， 我们明白DAMA调变的最大希望在于其他实验 ， 例如即将开始、并希望复制DAMA的DM-Ice实验10 。 他说 ， 「本质上 ， 我们可以模拟任何事物 ， 只是我们还需要更多数据 。 」
暗物质|暗物质和渺子已被排除在DAMA信号源之外
本文图片

图解：耶鲁大学的DM-Ice数据采集系统 。 图源：IceCube Neutrino Observatory
这项研究的预印本可以在arXiv伺服器找到 。
注释
The DAMA Project：意大利科学家对于暗物质的一个共同研究工程 ， 开展于上世纪末
DAMA-LIBRA：一个使用闪烁体探测器寻找大质量弱相互作用粒子的实验
银河系暗晕：银河中心算起100,000至300,000光年的假想区域
太阳中微子：电中性的基本粒子；太阳核聚变的产物
大气渺子：带有一个单位负电荷的基本粒子；宇宙射线在地球大气衰变的产物
中子通量：一个单位时间里通过一个单位面积的中子数
调变/调制；以调制信号改变周期性载波某些属性并加入信息的技术 ， 用于电子通信领域
包括P. S. Barbeau、 J. I. Collar、Yu. Efremenko和 K. Scholberg四人
中子俘获：原子核与中子撞击后形成重核的核反应
DM-Ice：耶鲁大学在南半球以碘化钠直接探测暗物质的实验
作者: Tushna Commissariat
FY: Rochelle Leung
如有相关内容侵权 ， 请于三十日以内联系作者删除
转载还请取得授权 ， 并注意保持完整性和注明出处


    推荐阅读


    上一篇：嘲笑|父母的一声道歉：吃饭了！有多少人被岳云鹏的这句话打动了？

    下一篇：赣品网上行 传统制笔技艺搭上“直播车”