出现异常信号，会是暗物质吗？ - 弧论坛

XENON合作组是一个由来自20多个不同国家的160多名科学家构成的科研团队，他们运行着世界上最灵敏的探测器来寻找神秘的暗物质粒子。暗物质是一种被认为遍及每个星系但尚未被确认的神秘物质，并认为它们为阻止星系在旋转过程中分崩离析提供了额外的引力。

最近，团队的物理学家在他们的探测器中发现了一系列意料之外的奇怪事件，这些事件可以有几种可能的解释。

第一种符合这些事件特征的是一种被称为轴子的假想粒子。第二种可能是中微子，但这不是我们熟悉的普通中微子，而是具有比我们想象中更强磁性的中微子。无论是这两种可能中的哪一种，都能让粒子物理学家激动不已。因为几十年来，粒子物理学家一直试图寻找标准模型预测之外的东西，可迄今为止却没有任何发现。

然而，对于这样的结果，大多数科学家对此既兴奋又谨慎。因为在暗物质的探索记录中，这样的“奇异”事件已经不是第一次出现了，它们大多都与这次XENON探测的奇怪信号很像——都是在一开始显现出了一些无法解释的特征，然而随着更多的后续数据的出现，变得不再神奇。所以，理性说来，第三种可能性是探测器受到了氚污染，从而影响了被探测到的信号。

XENON实验项目是在意大利地下的格兰萨索国家实验室进行的，科学家们在那里建造了一系列大型的专门用于寻找暗物质的探测器。XENON1T是XENON实验的最新版探测器，它的运行时间在2016年和2018年之间，含有数吨的液态氙。

在黑暗的地底，大部分辐射会被屏蔽在外，但仍然有少数粒子可以进入到装有液态氙的容器中，与里面的氙原子发生碰撞，释放出闪光。大多数的这些闪光很容易解释，物理学家已经知道了一些粒子的相互作用是什么样子的。

在对XENON1T实验的最新分析中，研究人员的目标是寻找碰撞发生之后的电子反冲。根据理论模拟的计算，一年中应该可以产生大约232个这样的电子反冲。然而在2017年2月到2018年2月之间，探测器记录了285个位于一个特定能量区域的电子反冲，比预计的多了53个。

被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）是一种假象的暗物质粒子，这是一种由大爆炸遗留下来的奇异亚原子粒子，质量是氢原子的成百上千倍。当这种粒子在冰冷的液态氙中与氙原子核发生碰撞时，同样会制造出神秘的闪光和带电粒子云。

研究人员认为，撞击到氙原子上的粒子不可能是标准的WIMP，因为它们的质量太轻了。通过分析，他们发现这有可能的是另一种假想粒子——轴子。这是一种被用来解决强核力理论中的问题而提出的粒子。要足以解释来自XENON1T的信号，这些轴子的质量必须达到数千电子伏特——这几乎是理论预测的上限。轴子假设可以将数据拟合到3.5个标准差的置信水平，这种程度虽不足以被称为一个“新发现”，但足以引起关注。

中微子是解释这种额外事件的另一种选择。但如果是中微子的话，那么中微子的磁性就比标准理论所预测的要强得多。XENON合作组在声明表明，用中微子解释所看到的奇怪信号的置信水平是3.2个标准差。

这两种可能性都将引发一连串的警告。无论这是由轴子造成的还是由强磁性的中微子造成的，都会与一些与恒星行为的天体物理观测结果相冲突。

除了这两种令人兴奋的可能之外，不可排除的是这些信号可能只是来自于普通的来源——探测器内的氚污染。氚是氢的一种放射性同位素，它衰变时会释放出一个电子，这可能会被当做是一个事件而记录下来。虽然XENON合作组在一开始时就努力地从各个方面规避这种污染，并认为他们的过滤系统已经将其降低了很多，但只需每千克氙中存在三个氚原子就足以产生这种信号，因此他们并不能排除氚污染的可能性。氚假设同样可以将数据拟合到3.2个标准差的置信水平。

虽然这样的顾虑无疑为存在新的奇异粒子或有新的发现泼了一盆冷水，但这或许意味着，还有其他更奇异的情况没有被科学家纳入考量。

不过，物理学家们相信事情很快就会变得明晰起来。现在，XENON的研究人员已经开始着手建造和调试更新版本的探测器——XENONnT，它将含有8.3吨液态氙，一旦完成，便可以提供更清晰的统计数据。

此外，其他一些研究机构的科学家也在研究大型的液体氙探测器，如果其他探测器也能看到一些东西，那么奇异粒子的可能性就会提高。结果究竟如何，让我们拭目以待。