世界上最灵敏的暗物质探测器传来的新结果，为名为WIMPs的粒子设置了前所未有的限制，这种粒子是我们宇宙中不可见质量的主要候选者。
暗物质与LUX-ZEPLIN（LZ）
找出暗物质的本质，即构成我们宇宙中大部分质量的不可见物质，是物理学中最大的难题之一。世界上最灵敏的暗物质探测器LUX-ZEPLIN（LZ）的新结果缩小了主要暗物质候选者之一的可能性：弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。
LZ 实验由能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，简称 Berkeley Lab）领导，在南达科他州的桑福德地下研究设施（Sanford Underground Research Facility）中一个近一英里深的洞穴中搜寻暗物质。该实验的新结果探索了比以往任何时候都要弱的暗物质相互作用，并进一步限制了弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，简称 WIMPs）的可能性质。
LZ的成就与限制
“这是暗物质和弱相互作用大质量粒子（WIMPs）在世界上领先的新约束，”LZ发言人、伦敦大学学院（UCL）教授Chamkaur Ghag表示。他指出，探测器和分析技术的表现甚至超过了合作的预期。“如果弱相互作用大质量粒子在我们搜索的区域内，我们就能对其做出有力的说明。随着我们搜索更低的能量并累积实验寿命的大部分时间，我们知道我们有灵敏度和工具来查看它们是否存在。”
这项合作研究没有发现质量超过9千兆电子伏特/c²（GeV/c²）的弱相互作用大质量粒子（WIMP）的证据。（相比之下，质子的质量略小于1 GeV/c²。）实验对微弱相互作用的敏感性有助于研究人员排除不符合数据的潜在WIMP暗物质模型，从而为WIMP提供了更少的藏身之地。这些新结果于8月26日在两场物理学会议上进行了展示：伊利诺伊州芝加哥的TeV粒子天体物理学2024年会和巴西圣保罗的LIDINE 2024年会。科学论文将在未来几周内发表。
深入探讨LZ的实验方法
结果分析了280天的数据：一套新的220天数据（收集于2023年3月至2024年4月之间）与LZ首次运行的60天早期数据相结合。该实验计划在2028年结束前收集1000天的数据。
“如果你把寻找暗物质想象成寻找埋藏的宝藏，那么我们挖掘的深度几乎是过去的五倍，”LZ的物理学副协调员、德克萨斯大学奥斯汀分校的教授斯科特·克拉维茨说。“这不是用一百万把铲子就能做到的事情——你必须发明一种新的工具。”
暗物质探测的创新与技术
LZ的灵敏性源于探测器可以通过多种方式减少背景噪声，即可以冒充或隐藏暗物质相互作用的假信号。在地下深处，探测器可免受来自太空的宇宙射线的干扰。为了减少日常物品产生的自然辐射，LZ由数千个超清洁、低辐射部件构成。探测器的结构类似于洋葱，每一层要么阻挡外部辐射，要么跟踪粒子相互作用以排除暗物质模拟物。此外，复杂的新型分析技术有助于排除背景相互作用，特别是最常见的罪魁祸首——氡的相互作用。
这个结果也是LZ首次应用“加盐”技术——一种在数据采集过程中添加虚假WIMP信号的技术。通过伪装真实数据，直到最后“脱盐”，研究人员可以避免无意识偏见，避免过度解释或改变其分析。
“我们正在将边界推向人们以前从未寻找过暗物质的领域，”LZ物理协调员斯科特·哈塞尔施瓦德特（Scott Haselschwardt）说，他最近是伯克利实验室的钱伯伦研究员，现在是密歇根大学的助理教授。“人类有一种倾向，那就是想在数据中看到模式，所以当你进入这个新领域时，没有任何偏见是非常重要的。如果你有所发现，你想把它做对。”
暗物质的意义
暗物质之所以得名，是因为它不发射、反射或吸收光，据估计，它占宇宙质量的85%，但从未被直接探测到，尽管它在多次天文观测中留下了“指纹”。没有这个神秘而基本的宇宙组成部分，我们就不会存在；暗物质的质量有助于产生引力，帮助星系形成并保持在一起。
LZ使用10吨液态氙来提供一种密集、透明的材料，供暗物质粒子潜在地碰撞。希望的是弱相互作用大质量粒子（WIMP）能够撞击到氙原子核，使其移动，这非常类似于打台球时球杆撞击白球的情况。通过收集在相互作用过程中产生的光子和电子，LZ能够捕获潜在的弱相互作用大质量粒子（WIMP）信号以及其他数据。
“我们已经展示了作为WIMP探测器的我们有多强大，我们将继续运行并变得更好——但我们可以用这个探测器做很多其他事情，”伦敦大学学院（UCL）的WIMP探测项目负责人艾米·科特尔（Amy Cottle）助理教授说。“下一阶段是利用这些数据来研究其他有趣且罕见的物理过程，如氙原子的稀有衰变、无中微子双β衰变、来自太阳的硼-8中微子以及其他超标准模型物理。除此之外，还将探索过去20年来一些最有趣且以前无法获得的暗物质模型。”
未来方向及合作努力
LZ 是由来自美国、英国、葡萄牙、瑞士、韩国和澳大利亚的 38 个机构的约 250 名科学家和工程师共同合作的成果；构建、运行和分析这项破纪录实验的大部分工作是由早期职业研究者完成的。该合作团队已经迫不及待地想要分析下一组数据，并运用新的分析技巧来寻找质量更低的暗物质。科学家们还在考虑可能的升级方案，以进一步改进 LZ，并计划开发一种名为 XLZD 的下一代暗物质探测器。
“我们搜索暗物质的能力正在以比摩尔定律更快的速度提升，”克拉维茨说道。“如果你看看指数曲线，那么到目前为止的一切都不值一提。只需等待，看看接下来会发生什么。”
会议：2024年TeV粒子天体物理学
LZ 得到了美国能源部、科学办公室、高能物理办公室和美国能源部科学办公室用户设施——国家能源研究科学计算中心的资助。LZ 还得到了英国科技设施委员会、葡萄牙科学和技术基金会、瑞士国家科学基金会以及韩国基础科学研究所的资助。38 家高等教育机构和先进研究机构为 LZ 提供了支持。LZ 合作团队对桑福德地下研究设施的协助表示感谢。
