科学家模拟的暗物质地图(来源:Tom Abel & Ralf Kaehler/KIPAC/SLAC/AMNH)

  1997年9月,一则从意大利格兰萨索国家实验室传出的消息引爆了物理学界。在该实验室举办的一场天体粒子物理会议上,研究团队公布了暗物质粒子探测项目DAMA/NaI的初步结果:这个探测器似乎找到了一丝暗物质粒子存在的线索。

  在随后的20多年里,来自这个实验室的证据一次次指向暗物质粒子,但他们的结果似乎永远无法得到其他科学家的重复。现在,这个旷日持久的暗物质之谜终于接近水落石出。这个来自意大利地下深处的实验,真的找到了暗物质吗?

  撰文 | 李诗源

  审校 | 吴非

  “看不见”的物质

  1933年,瑞士天文学家弗里茨·茨威基(Fritz Zwicky)在研究距离我们3.2亿光年的后发座星系团时发现,其中许多星系以很高的速度在旋转。据此估算,星系团中的物质总量能产生的引力远远不足以将这些星系束缚在一起——换言之,在这样高速的旋转下,这个星系团应该已经“散架”了。

  茨威基据此认为,星系团中可能还有大量人们“看不见”,但具有引力的物质,而且其质量足够大,可以确保星系团中的众多星系在高速运动的情况下依然不会散开。这种物质无法被观测到,因此茨威基在德语中称其为dunkle Materie,翻译过来即为“暗物质”。不过,这样的想法过于超前,在很长一段时间内都无人问津。

  40年后,茨威基的“暗物质”假说终于重新被人们重视。1970年,美国天文学家薇拉·鲁宾(Vera Rubin)发现,在与星系中心的距离达到一定值之后,恒星围绕星系中心公转的速度不再发生变化,这与万有引力定律的预测不符。此后,天文学家根据多方面的天文观测结果推测,宇宙中存在大量不发出任何波段的电磁波、不与光相互作用,只能通过引力效应间接感知其存在的暗物质。根据目前的估算,暗物质约占宇宙中物质总量的85%,远多于我们熟悉的普通物质。

  不过,关于暗物质的本质究竟是什么,科学家仍莫衷一是。其中呼声最高的暗物质候选粒子是大质量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)。一方面,WIMP与粒子物理中某些理论预言的粒子性质相似;另一方面,从实验探测的角度,WIMP和普通物质之间存在着弱但不为零的耦合作用,因而可能被直接观测到。出于这些因素,这种假想中、仍未被证实存在的粒子被人们寄予厚望。而在格兰萨索国家实验室,DAMA/NaI实验的探测目标正是这种粒子。

  揭开暗物质的面纱

  但是,探测暗物质粒子的实验设计却是困难重重。其中一大难点在于,如何区分并排除普通物质的干扰。普通物质的粒子(例如伽马射线、中子)也可以撞击探测器、产生干扰信号,也就是所谓的“本底事件”。尽管科学家采取了一系列抗干扰的手段,包括将探测器建在地下深处以屏蔽射线干扰、使用低放射性本底的材料等等,但要想将WIMP产生的信号和本底事件区分开来、直接鉴别出单次撞击是否与WIMP有关,仍然较为困难。

  因此,另一种思路开始受到关注,那就是从群体特征的角度来确定暗物质粒子存在与否。

  科学家认为,在整个银河系的范围内弥漫着大量的暗物质,这一结构也被称为暗物质晕。而太阳系围绕银河系中心公转,与暗物质晕存在相对运动,因此暗物质晕中的暗物质粒子会像“风”一样吹向太阳系。

  上世纪80年代中期,有科学家认为由于地球绕太阳公转,暗物质粒子风吹向地球的速率和方向会存在周期性的变化:每年6月,地球公转与太阳系在银河系中的公转方向相同,此时地球相对暗物质晕的运动速率最快,“风速”最高;反之,12月时“风速”最低。这样的现象被称为“年调制效应”(annual modulation effect)。如果这样的效应的确存在,那么暗物质粒子与探测器碰撞的概率就会呈现年度的周期变化——一旦能观测到年调制效应的信号,也就能间接证明暗物质粒子的存在。

  1996年,在1400米厚的岩层之下,DAMA/NaI实验正是基于这样的思路开始工作。其探测器中包含9个掺铊碘化钠晶体组成的阵列,每个晶体重9.7千克。根据理论预测,如果有暗物质粒子进入探测器,这些“看不见”的粒子会和晶体的原子核发生碰撞并散射,即“核反冲”。随后,反冲出来的带电原子核可能会激发晶体中的原子,当原子退激发时,会发射出可见光波段的荧光,使连接在晶体上的光电倍增管产生电脉冲信号,从而使人们获知暗物质粒子的存在。

  1997年,DAMA/NaI公布了初步观测结果;2003年,DAMA/NaI“退役”,此后升级为DAMA/LIBRA,后者探测器中的掺铊碘化钠晶体从9个增加到了25个,具备更强的探测能力。无论是在DAMA/NaI还是DAMA/LIBRA时期,该项目的科学家每一次公布的数据,都指向了同一个结论:他们很可能找到了暗物质粒子。

  例如在2018年,DAMA/LIBRA第二阶段的数据就显示:在1~6 keV的光电子探测区间内,该阶段数据的统计学显著性达到了9.5σ——换句话说,如果不是由于年调制效应,那么得到这些数据的概率不足2/1011,也就是500亿分之1。这已经远远超出粒子物理学领域,声称发现新粒子需要达到的5σ的显著性标准。综合DAMA/NaI和DAMA/LIBRA共14年的探测数据,在2~6 keV的能量区间内,统计学上的显著性更是达到了12.9σ。这些结果似乎是探测到了暗物质粒子的铁证,也似乎是近几十年来,人们最接近“看到”暗物质真面目的一次。

  难以服众的“漂亮”结果

  但是,正如你熟悉的那样:科学界普遍认为,我们距离暗物质粒子的真相依然遥不可及。对于DAMA实验,最大的问题在于:自始至终,能够得到类似结论的,只有DAMA实验团队。

  事实上,在DAMA/NaI团队于1997年报告其初步观测结果,宣称可能观测到WIMP的年调制效应时,就有不少科学家提出了质疑。他们认为,根据团队自己公布的信息,其分析和推论过程存在若干不严谨之处。例如,探测器的9个晶体输出的结果特征并不相同,只有3个晶体输出的结果与存在年调制效应的情况相符,也就是说探测器本身可能存在系统误差。此外,研究团队对探测能量区间的有意选择、分析夏冬两季数据的时间长度差异、对噪音的截断处理等,同样值得商榷。

  在随后的二十多年时间里,多个暗物质探测项目在全球各地开展,但没有任何实验能够重复DAMA团队的结果。许多在同样能量范围内进行探测、灵敏度比DAMA实验高得多的实验,也都无法侦测到能证明暗物质粒子存在的信号。

  DAMA这样“漂亮”而无法复现的结果引发了大量争议。有科学家指出,与季节变化耦合的结果也可能是由其他与WIMP无关的因素所致,例如宇宙线强度、温度、湿度等。由于DAMA的探测器位于北半球,在南半球建设另一台探测器,或许可以排除部分上述因素的影响。此外略显可疑的是,DAMA的团队从来没有公开过其详细数据和方法,也就意味着其他科学家无法仔细审查其研究。DAMA团队在处理数据时,以年为单位从数据中减去噪声的平均值,这项操作可能会让原本不含信号的数据变成周期性信号,从而产生误导性的结果。

  实验设备中的小问题也可能对结果产生巨大的影响。2019年年初,加州大学戴维斯分校的一支团队称,如果光电倍增管中有少量的氦污染,便可能会产生与DAMA相似的结果,这或许可以解释为什么他们不断地探测到信号,而其他的实验却一筹莫展。

  重现DAMA实验

  为了检验DAMA团队的结果是否可信,一支西班牙的科研团队模仿DAMA实验,开展了ANAIS-112项目。该实验在西班牙坎夫兰克地下实验室(Canfranc Underground Laboratory,LSC)展开,其探测器使用了9个、每个重12.5千克的掺铊碘化钠晶体模组。不过,ANAIS-112项目的数据和方法都是公开的,而且团队在数据分析时也避开了上述可疑的操作。

  2017年8月,ANAIS-112的探测器开始收集数据,并先后报告了1.5年、2年和3年的观测结果,均没有观察到WIMP的年调制效应。而且,这一结论在统计学上的显著性越来越强,最近一次的置信度已经接近3σ——这通常是声称发现了证实或证否某个假说的证据时,所需要达到的标准。这也说明,DAMA实验的结果已岌岌可危。

  不过,目前ANAIS-112的结果还不能完全排除DAMA/LIBRA确实探测到暗物质的可能性。根据计划,ANAIS-112实验会运行5年。研究团队推算,届时这一实验与DAMA/LIBRA实验结果的分歧会更为显著,可以达到3σ的置信度,从而给DAMA/LIBRA的结果判定“生死”。不过,要想达到5σ的置信度,则需要累计收集10年的数据。

  从茨威基提出暗物质的猜想到今天,接近90年已经过去了。尽管科学家们提出了各种猜想,探测器也变得愈发强大,人们还是难以揭下暗物质神秘的面纱。从目前的结果来看,人们很难相信DAMA团队确实探测到了暗物质粒子。随着其他实验数据的积累,DAMA实验的结果将接受进一步、更严格的检验。这不仅关乎新的、甚至是革命性的科学发现,也警示着人们,可重复性对科学实验至关重要,而对数据的分析和解读则应慎之又慎。


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