暗物质|探测暗物质信号？究竟结果如何？路途坎坷
在过去的十六年间 ， 位于意大利的DAMA/LIBRA实验组研究员们在暗物质探测器上观测到了一个仍有争议性的年度震荡 。 这种变化只有在银河系完全被暗物质之时出现 。 但除了美国的Co-GENT暗物质实验 ， 没有任何其他的暗物质研究见过相似的变化 。 一位英国杜伦大学的物理学家提出了另一个假设：这种调制来自于中子 。 这些中子被散射在岩石里 ， 或DAMA/LIBRA的保护装置中的渺子和中微子撞出原子 。
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DAMA/LIBRA实验位于中部意大利的大萨索山山脚 。 （图片来自：LNGS）
普朗克任务最新的宇宙微波背景数据显示宇宙是由26.8%暗物质 ， 68.3%暗能量和小于5%的“正常”可见物质 ， 例如星系和气云 。 暗物质与普通物质之间有很弱的影响 ， 以至于暗物质非常难以被探测到 。 DAMA探测器 ， 位于大萨索山国家实验室的深层地下 ， 在1998年第一次报告了暗物质的踪迹 。 而之后几年的数据在统计学上一个9.3σ的显著性水平——远高于代表物理发现的5σ——证明了这一推测
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夏日高峰
这一项调制 ， 在五月达到顶峰 。 科学家们认为是在太阳系传过一片包含着银河系的暗物质时出现的 。 顶峰在北半球的夏日是由于地球公转时的直线速度与太阳系的运动在同一方向 。 这意味着DAMA在探测到的撞击将在夏季达到顶峰 ， 并在冬季下降 。
为了解释DAMA/LIBRA的信号变化 ， 杜伦大学物理学家乔纳森·戴维斯开发出了一种不带有暗物质的物理模型 。 他展示了探测器中的散射中子如何能够导致这一年度信号的产生 。 在太阳中微子和大气层中的渺子在DAMA/LIBRA的保护层石质外壳散射时 ， 中子就会被释放出来 。
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散射的信号
渺子来自于在大气层中衰变的宇宙射线 ， 产生的频率在一年之间产生变化 ， 在六月二十一日左右达到高峰 。 太阳中微子的产生频率也在一年之间变化 ， 但在一月四日左右达到高峰 。 “两者结合在一起 ， 这意味着两者分别产生中子的频率也在一年之间变化 ， 并在两个高峰之间的某段时间达到高峰 ，与DAMA/LIBRA所探测出的规律（在五月末达到高峰）吻合 。 ”戴维斯如此解释 ， “年度高峰的产生是由于渺子与中微子的干涉并不完美 ， 所里两者并不完全抵消 。 简单来说 ， 这两个生产的信号在不同时间达到顶峰 ， 叠加时会有一些抵消 ， 但并不全部 。 ”他说 ， 进一步解释在五月末达到高峰的是叠加之后的信号 ， 就像DAMA数据所显示的那样 。
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渺子模仿
虽然渺子模仿DAMA的信号并不新鲜 ， 渺子被隔绝的时间与DAMA的数据并不相符 ， 导致这个假说最终被抛弃 。 但戴维斯的模型用太阳中微子解决了这个问题 。 戴维斯对physicsworld.com 表示目前仍不确定实验周围的铅质保护层在中子生产中起了多大的作用 ， 但很有可能它发挥了显著的贡献 。 铅尤其擅长用渺子与中微子产生中子 。 “的确 ， （铅外壳的）横截面——显示着干扰的频率——对于从中微子与渺子产生的中子数量很高 。 铅外壳距离DAMA探测器距离很近 。 ”他说 。 他还指出用这种方法生产出的中子的光谱通常在低能量区域达到顶峰 ， 与暗物质相似 ， 以至于两者的信号会被混淆 。
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戴维斯承认 ， 中微子——又被称为物质中的鬼魂——以它穿过物质时不与物质发生相互影响而出名 。 但他称由于DAMA探测器对低能量反冲尤其敏感 ， 它才会探测到这些中微子制造出的中子 。 “另外 ， 大部分其他实验 ， 例如勒克斯-泽普林实验（译者：LUX ， Large Underground Xenon ， 其目的为直接探测到大质量弱相互作用粒子)比DAMA有着更加先进的防护 ， 所以能够阻止中子进入探测器 。 ”他如此说道 。 他另外指出 ， 其他中微子实验也出现过他所考虑的变化——例如Borexino实验和超级神冈探测器 ， 两者都可以精确地检测中微子所导致的变化 。 “但是这将把目光缩小在中微子散射 ， 而不是有中微子制造的中子 ， 但相位应该依旧相同 。 ”他说 。
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其他实验？
当说到Co-GENT实验 ， 在实验初期也遇到了同样类型的变化 ， 戴维斯十分感兴趣 。 “理论上说 ， 两者的模型应该相同 ， 但因为Co-GENT与DAMA在不同的实验室之中 ， 信号的相位将会有不同 。 Co-GENT遇到了不少关于表面活动背景的问题 ， 所以我们还需要等待进一步的接过 ， 因为目前我们仍不清楚究竟探测到了什么 。 ”他谨慎地回答 。 其他暗物质实验 ， 他说 ， 没有遇见过类似的信号 ， 很可能是由于阈值和防护措施 。 因为实验相比DAMA都应用了更加有效的防护 。
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中子——DAMA信号的来源——不会被例如CDMS(Cryogenic Dark Matter Search), LUX(Large Underground Xenon)或者 XENON100（与DAMA坐落在同一实验室之中）的探测器探测到 。 DAMA在低能量反冲领域比其他实验更加敏感 ， 所以更容易探测到渺子或中微子的信号 。 为了检验戴维斯模型的精确性 ， DAMA/ILIBRA研究团队可以进一步观测这一信号的相位是如何在不同的能量 ， 或事件 。
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根据戴维斯 ， 以上曾被研究分析过 ， DAMA发现相位的确随着能量的变化而变化——不符合暗物质的行为 ， 却能被他的模型解释清楚 。 加上DAMA将在未来几年积累的数据 ， 如果信号来自渺子（太阳的运动）而不是暗物质 ， 那么研究者将能够找到一个新的十一年周期的模 。 戴维斯说道 。
戴维斯另外强调了未来暗物质实验的重要性 ， 例如希望复制DAMA的DM-Ice ， KIMS（韩国襄阳） ， ANAIS（西班牙） 。 “我的模型给了研究员们可与暗物质信号对比与测试的东西 ， ”他说 ， “这对DM-Ice尤其有趣 ， 因为它坐落在南极 ， 所以渺子将会有反向相位 。 ”。
作者: Tushna Commissariat
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