大約20年前意大利格蘭薩索國家實驗室的DAMA/LIBRA實驗開始公布數(shù)據(jù)，顯示它已經(jīng)探測到與銀河系暗物質(zhì)暈相互作用產(chǎn)生的信號調(diào)制。據(jù)信暗物質(zhì)約占已知宇宙的27%，而普通物質(zhì)僅占4%。剩下的69%被認(rèn)為是由暗能量構(gòu)成的。由于暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用很弱，迄今為止，人們只能從恒星、星系和星系團(tuán)等可見天體的引力效應(yīng)中推斷出暗物質(zhì)的存在。根據(jù)最廣為接受的模型，地球、太陽和星系自身的聯(lián)合運(yùn)動，對地球上的觀測者來說，產(chǎn)生了一種暗物質(zhì)風(fēng)——更確切地說，是一種由相互作用較弱的大質(zhì)量粒子或大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)構(gòu)成的風(fēng)，這些粒子被認(rèn)為是構(gòu)成暗物質(zhì)的假想粒子。

博科園-科學(xué)科普：在地球圍繞太陽的年度軌道中，探測器與弱相互作用大質(zhì)量粒子相互作用的信號，當(dāng)行星向風(fēng)的相反方向運(yùn)動時增加，當(dāng)它們向同一方向運(yùn)動時減少，波動是余弦曲線。DAMA/LIBRA人事部門表示，他們已經(jīng)探測到信號的速率在一年當(dāng)中隨著余弦波的變化而變化，并且它們對應(yīng)著暗物質(zhì)的特征。

問題是，自從這一發(fā)現(xiàn)首次公布以來，還沒有任何其他實驗證實過這一特征。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，其他實驗使用不同的材料和分析技術(shù)。為了檢驗DAMA/LIBRA數(shù)據(jù)與其他實驗數(shù)據(jù)之間的差異，并尋找暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)，cosin -100在韓國陽陽地下實驗室y2l地下700米處建造。

巴西研究人員正在參與COSINE-100實驗，該實驗位于韓國地下700米?！蹲匀弧穭偘l(fā)表了一篇關(guān)于首次運(yùn)行數(shù)據(jù)的文章。圖片：thallium-doped sodium iodide crystals in dark matter detector / COSINE-100

2018年12月發(fā)表在《自然》上的一篇文章展示了COSINE-100前59.5天數(shù)據(jù)的結(jié)果。Nelson Carlin Filho，圣保羅大學(xué)物理研究所(IF-USP)教授和兩名監(jiān)督者共同參與了COSINE-100國際合作。COSINE-100前59.5天的結(jié)果未能證實來自DAMA/LIBRA的數(shù)據(jù)。得到的結(jié)果與弱相互作用大質(zhì)量粒子特征不符。

卡林強(qiáng)調(diào)，這一負(fù)面發(fā)現(xiàn)尤其重要，因為DAMA/LIBRA和cos -100都使用由碘化鈉(Nal)晶體制成的探測器。這是首次發(fā)表的由這種材料組成探測器的發(fā)現(xiàn)，這種探測器具有足夠的尺寸和靈敏度來研究DAMA/LIBRA信號區(qū)域。并不是說DAMA/LIBRA的研究人員錯了，它們可能捕獲了實際信號中的周期調(diào)制。

然而除非暗物質(zhì)模型得到顯著修改，否則這些信號極不可能歸因于與弱相互作用大質(zhì)量粒子的相互作用。無論如何，工作才剛剛開始。在完全證實或駁斥達(dá)瑪/天秤座聲稱的年度調(diào)制之前，還需要幾年的數(shù)據(jù)。COSINE-100探測器由8個摻鉈的碘化鈉晶體組成，總質(zhì)量為106公斤。每個晶體都與兩個光電倍增管耦合，以測量晶體中沉積的能量。

整個陣列浸沒在2200升液體閃爍體中，周圍環(huán)繞著銅、鉛和塑料閃爍體面板。所有這些屏蔽的目的（以及在地下700米安裝探測器的決定）是為了減少由宇宙射線(μ介子)、宇宙背景輻射(來自原始宇宙的光子，在微波波段被探測到)和探測器材料發(fā)射的粒子所造成干擾。觀察暗物質(zhì)粒子和探測器材料之間相互作用的可能性很小。除了屏蔽，重要的是分析信號的形狀，以排除背景的影響。

基于使用暗物質(zhì)暈的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行高度復(fù)雜的統(tǒng)計處理，以及蒙特卡羅模擬和其他資源，cos -100定義了一條曲線，該曲線被認(rèn)為是探測材料中WIMPs與原子核相互作用的“排除極限”。這一極限證實并微調(diào)了先前實驗所確定的極限。這條曲線是用二維笛卡爾坐標(biāo)系繪制。wip -核子散射截面在y軸上，簡單表示相互作用的概率，WIMP質(zhì)量在x軸上。任何坐標(biāo)可以繪制在排除界限以下事件都是候選的wimp -核子相互作用。

它上面的任何事件都不能滿足按照模型進(jìn)行交互的必要條件。達(dá)瑪/天秤座的信號超出了限制，請注意，除了使用與DAMA/LIBRA[碘化鈉晶體]相同材料制成的檢測器外，cos -100還使用了類似的事件選擇技術(shù)。這減少了由于實驗差異而導(dǎo)致的結(jié)果差異。沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)DAMA/LIBRA的測量結(jié)果與暗物質(zhì)暈的標(biāo)準(zhǔn)模型不一致。

暗物質(zhì)理論

現(xiàn)在科學(xué)界普遍認(rèn)為暗物質(zhì)是存在的。1933年瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky, 1898-1974)在對銀河系自轉(zhuǎn)速度的研究中發(fā)現(xiàn)了第一個證據(jù)。茲威基意識到，根據(jù)觀測到的發(fā)光質(zhì)量，星系的自轉(zhuǎn)速度比它們本應(yīng)達(dá)到的速度要快。他還提出，另一種物質(zhì)——他稱之為“dunkle materie”(德語為“暗物質(zhì)”)的引力作用，肯定在影響著這些速度。

20世紀(jì)70年代，美國天文學(xué)家維拉·魯賓(Vera Rubin, 1928-2016)在一項星系自轉(zhuǎn)速度的系統(tǒng)研究中證實了茲威基的假設(shè)。魯賓的嚴(yán)謹(jǐn)計算得到了后續(xù)研究證實，結(jié)果表明，相關(guān)星系的暗物質(zhì)含量至少是正常物質(zhì)的5到10倍。今天，基于星系的旋轉(zhuǎn)速度和其他證據(jù)，比如愛因斯坦首先提出的引力透鏡效應(yīng)，以及背景微波輻射，宇宙組成的公認(rèn)比例大約是4%的正常物質(zhì)，27%的暗物質(zhì)和69%的暗能量。

如果暗物質(zhì)的存在被廣泛接受，現(xiàn)在的問題是確定它是由什么組成。基于wimp模型仍然是最廣泛接受的模型。這種粒子被認(rèn)為只通過重力和弱核力與正常物質(zhì)相互作用。這大概就是為什么它們沒有被持續(xù)檢測到的原因。由于未能探測到大質(zhì)量弱相互作用粒子，科學(xué)家們提出了軸子和暗光子等替代方案。

沒有什么能阻止暗物質(zhì)由幾種不同的元素組成，還有許多工作要做，cos -100仍然在進(jìn)行第一步。下一步，也是很重要的一步，是嘗試再現(xiàn)年調(diào)制或者證明它不能再現(xiàn)。這實際上正在進(jìn)行中。也在準(zhǔn)備實驗的第二階段，cosin -200，用200公斤的晶體，安裝在韓國的另一個地方。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：FAPESP

參考期刊文獻(xiàn):《自然》

DOI: 10.1038/s41586-018-0739-1

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