新探测器未能证实暗物质的潜在证据?
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发布时间：2022-10-12 07:53
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时间：2023-10-20 09:05
大约20年前意大利格兰萨索国家实验室的DAMA/LIBRA实验开始公布数据，显示它已经探测到与银河系暗物质晕相互作用产生的信号调制。据信暗物质约占已知宇宙的27%，而普通物质仅占4%。剩下的69%被认为是由暗能量构成的。由于暗物质与普通物质的相互作用很弱，迄今为止，人们只能从恒星、星系和星系团等可见天体的引力效应中推断出暗物质的存在。根据最广为接受的模型，地球、太阳和星系自身的联合运动，对地球上的观测者来说，产生了一种暗物质风——更确切地说，是一种由相互作用较弱的大质量粒子或大质量弱相互作用粒子(WIMPs)构成的风，这些粒子被认为是构成暗物质的假想粒子。
博科园-科学科普：在地球围绕太阳的年度轨道中，探测器与弱相互作用大质量粒子相互作用的信号，当行星向风的相反方向运动时增加，当它们向同一方向运动时减少，波动是余弦曲线。DAMA/LIBRA人事部门表示，他们已经探测到信号的速率在一年当中随着余弦波的变化而变化，并且它们对应着暗物质的特征。问题是，自从这一发现首次公布以来，还没有任何其他实验证实过这一特征。应该强调的是，其他实验使用不同的材料和分析技术。为了检验DAMA/LIBRA数据与其他实验数据之间的差异，并寻找暗物质存在的有力证据，cosin -100在韩国阳阳地下实验室y2l地下700米处建造。
2018年12月发表在《自然》上的一篇文章展示了COSINE-100前59.5天数据的结果。Nelson Carlin Filho，圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授和两名监督者共同参与了COSINE-100国际合作。COSINE-100前59.5天的结果未能证实来自DAMA/LIBRA的数据。得到的结果与弱相互作用大质量粒子特征不符。卡林强调，这一负面发现尤其重要，因为DAMA/LIBRA和cos -100都使用由碘化钠(Nal)晶*成的探测器。这是首次发表的由这种材料组成探测器的发现，这种探测器具有足够的尺寸和灵敏度来研究DAMA/LIBRA信号区域。并不是说DAMA/LIBRA的研究人员错了，它们可能捕获了实际信号中的周期调制。
然而除非暗物质模型得到显著修改，否则这些信号极不可能归因于与弱相互作用大质量粒子的相互作用。无论如何，工作才刚刚开始。在完全证实或驳斥达玛/天秤座声称的年度调制之前，还需要几年的数据。COSINE-100探测器由8个掺铊的碘化钠晶体组成，总质量为106公斤。每个晶体都与两个光电倍增管耦合，以测量晶体中沉积的能量。整个阵列浸没在2200升液体闪烁体中，周围环绕着铜、铅和塑料闪烁体面板。所有这些屏蔽的目的（以及在地下700米安装探测器的决定）是为了减少由宇宙射线(μ介子)、宇宙背景辐射(来自原始宇宙的光子，在微波波段被探测到)和探测器材料发射的粒子所造成干扰。观察暗物质粒子和探测器材料之间相互作用的可能性很小。除了屏蔽，重要的是分析信号的形状，以排除背景的影响。
基于使用暗物质晕的标准模型进行高度复杂的统计处理，以及蒙特卡罗模拟和其他资源，cos -100定义了一条曲线，该曲线被认为是探测材料中WIMPs与原子核相互作用的“排除极限”。这一极限证实并微调了先前实验所确定的极限。这条曲线是用二维笛卡尔坐标系绘制。wip -核子散射截面在y轴上，简单表示相互作用的概率，WIMP质量在x轴上。任何坐标可以绘制在排除界限以下事件都是候选的wimp -核子相互作用。它上面的任何事件都不能满足按照模型进行交互的必要条件。达玛/天秤座的信号超出了*，请注意，除了使用与DAMA/LIBRA[碘化钠晶体]相同材料制成的检测器外，cos -100还使用了类似的事件选择技术。这减少了由于实验差异而导致的结果差异。没有发现暗物质，发现DAMA/LIBRA的测量结果与暗物质晕的标准模型不一致。
现在科学界普遍认为暗物质是存在的。1933年瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky, 1898-1974)在对银河系自转速度的研究中发现了第一个证据。兹威基意识到，根据观测到的发光质量，星系的自转速度比它们本应达到的速度要快。他还提出，另一种物质——他称之为“nkle materie”(德语为“暗物质”)的引力作用，肯定在影响着这些速度。20世纪70年代，美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin, 1928-2016)在一项星系自转速度的系统研究中证实了兹威基的假设。鲁宾的严谨计算得到了后续研究证实，结果表明，相关星系的暗物质含量至少是正常物质的5到10倍。今天，基于星系的旋转速度和其他证据，比如爱因斯坦首先提出的引力透镜效应，以及背景微波辐射，宇宙组成的公认比例大约是4%的正常物质，27%的暗物质和69%的暗能量。
如果暗物质的存在被广泛接受，现在的问题是确定它是由什么组成。基于wimp模型仍然是最广泛接受的模型。这种粒子被认为只通过重力和弱核力与正常物质相互作用。这大概就是为什么它们没有被持续检测到的原因。由于未能探测到大质量弱相互作用粒子，科学家们提出了轴子和暗光子等替代方案。没有什么能阻止暗物质由几种不同的元素组成，还有许多工作要做，cos -100仍然在进行第一步。下一步，也是很重要的一步，是尝试再现年调制或者证明它不能再现。这实际上正在进行中。也在准备实验的第二阶段，cosin -200，用200公斤的晶体，安装在韩国的另一个地方。
博科园-科学科普｜研究/来自：FAPESP
参考期刊文献:《自然》
DOI: 10.1038/s41586-018-0739-1
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