全球最大暗物质探测器LZ位于美国南达科他州地下1480米处,用7吨液氙做靶材,2021年开始采集数据。9月1日,团队在日本举行的TeV粒子天体物理学会议上宣布一个消息:把核反冲能量搜索范围扩大到270 keV后,他们记录到一个248 keV的孤立异常事件。
这个信号无法用已知的中子、伽马射线等背景噪音解释。但它的统计显著性只有1/200,离物理学界公认的"发现"门槛1/350万,差了四个数量级。真正值得琢磨的不是"暗物质被发现了",而是这个高能孤例出现的位置,恰好卡在最简单WIMP模型解释不通的地方。如果它将来被复现,理论物理可能要重新排队。
一个孤例,连"疑似"都不够格
LZ的探测逻辑很朴素。暗物质粒子如果以WIMP形式存在,会以每秒约300公里的速度穿过地球,偶尔撞上一个氙原子核,留下核反冲的痕迹。
去年,团队在5到55 keV区间搜了个遍,什么都没找到。这次扩展到270 keV,才在248 keV处捕捉到唯一一个信号。研究者试过把它归为杂散中子或伽马射线,都没能成功——这才是团队决定公开这件事的原因,不是信心足,是解释不了。
| 能量区间 | 简单WIMP模型预期 | LZ实际观测 |
|---|---|---|
| 5-55 keV | 数千个低能事件 | 0个 |
| 270 keV扩展区间 | 几乎不该出现 | 1个(248 keV) |
暗物质搜索这个领域过去几十年冒出过不止一次类似的孤例,大多悄无声息地消失了。1/200这个数字意味着,后续校准或未知本底仍有可能推翻这个结果。
248 keV撞上简单WIMP模型的软肋
如果暗物质真是最经典的WIMP,低能核反冲事件应该远多于高能事件。Brown大学物理学家Rick Gaitskell解释,团队理论上应该先在5到55 keV区间看到成千上万个事件,再轮到248 keV这种罕见的高能撞击。
现实恰恰相反:低能区间空空如也,唯独在极高能量处冒出这一个信号。
这个反差意味着,如果信号成立,暗物质粒子的相互作用方式必须比"单一新粒子撞核"复杂得多。UC Irvine理论物理学家Jonathan Feng提到,已经有一整类理论假设暗物质耦合强度依赖碰撞动量,或者暗物质带有内部结构,只有被撞得足够狠才会被"激发"。这类模型此前缺乏实验线索,LZ这次的扩展搜索给了它们一个立足点。
一个孤例撼不动主流模型,但足够让理论物理重新排队
三倍新数据、两台对手探测器,决定这事能不能站住
LZ团队手里已有比这篇论文所用数据量多三倍的新观测数据,还没分析完。如果248 keV这类高能事件是真实信号,更多数据里应该能看到同类事件反复出现。团队计划把结果投给《物理评论快报》。
意大利Gran Sasso国家实验室的XENONnT探测器规模和LZ相当,中国下一代PandaX探测器体量更大,两者都有能力独立复核这个高能区间。Columbia大学物理学家、XENON团队发言人Elena Aprile已表态,会用盲分析方法单独检验这个结果。这种交叉验证,是暗物质研究领域这些年吃过亏之后养成的习惯。
对关注基础物理进展的科技读者来说,这件事眼下还谈不上"暗物质被发现",不必调整对这个领域的判断,值得记住的是下一轮数据披露的时间点。对从事暗物质理论或直接探测实验的研究人员来说,动作更具体:理论组需要重新估算动量依赖耦合、复合暗物质这类模型的参数空间;实验组则该把高能核反冲区间列入下一轮分析的优先级,而不是继续把资源全压在低能区间搜索上。