哈勃太空望远镜捕捉到的一幅图像显示了巨型星系团中心的暗物质分布。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/ESA/IAA，巴斯克大学/JHU。 这只是一个数据点，但足以让物理学家们感到震撼。在2023年或2024年的某个时刻，一个包含10吨超纯液态氙的探测器记录到了一次异常的能量闪烁。这种信号可能是由于一个原子核与一个巨大的暗物质粒子碰撞所引发的，而这个粒子正穿过我们的银河系。如果这一发现能得到更多数据的支持，这可能意味着暗物质——被认为使星系不至于飞散的不可见物质——最终被发现了。这将表明暗物质由比质子更大质量的粒子组成，即所谓的“弱相互作用大粒子”（WIMPs），这种粒子虽已被理论提出，但数十年来始终未能被探测到。 在南达科他州利德的桑福德地下研究设施，参与LUX-ZEPLIN（LZ）实验的研究人员于9月1日在日本天道举行的TeV粒子天体物理学会议上宣布了这一结果，并在实验网站上发布了一篇预印本。研究人员警告说，以前的实验也曾看到过看似有希望的暗物质迹象，但最终被证明是虚假的。然而，LZ的这个单一异常事件“让人感到好奇，无疑将激发这个领域的兴奋”，上海交通大学的物理学家刘江来说道。 高能事件 数十年来，理论家们假设暗物质的主要成分是一种WIMP。但试图在暗物质穿越地球时探测它，或在像瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）这样的设施中通过碰撞原子制造它的尝试均未成功。许多研究人员将注意力转向其他可能的候选者，例如非常轻的粒子。LZ于2021年底启动，是对早期实验的一种放大版本，旨在利用氙进行对暗物质的“直接探测”。在这项研究中，LZ研究员塞缪尔·埃里克森和他的合作者分析了从2023年3月到2024年4月的220天观察数据。 针对暗物质的“宠儿理论”进行关键时刻 他们专注于在高能粒子与氙核碰撞时发生的稀有闪烁，这种碰撞会使氙核高速度反冲。“通常，这些搜索关注低能量，即将少于50千电子伏的能量沉积到氙核上，”来自英国布里斯托大学的粒子物理学家埃里克森表示。“在这项分析中，我们将其扩展到270千电子伏。” 来自南达科他州利德的桑福德地下研究设施的LZ中央探测器。 图片来源：Matthew Kapust/Sanford地下研究实验室。 埃里克森表示，LZ和两个竞争系列的实验——位于意大利Gran Sasso国家实验室的XENON和位于四川的中国锦屏地下实验室的PandaX——之前在这个能量范围内进行了搜索。但是，它们只能在早期、较小的探测器版本的数据集上进行搜索，并且未发现超出背景预期的虚假事件，例如由背景辐射产生的高能中子。为了避免自身偏见，LZ合作组在每次分析中对其数据进行了“盐化”，使用许多随机生成的事件来模仿暗物质事件的外观，布朗大学的物理学家兼LZ发言人理查德·盖茨基尔表示。“仅当研究人员完成一批数据分析后，他们才会‘去盐’以查看任何剩余的暗物质信号是否是真实的。”盖茨基尔表示：“一旦我们去盐，留下的只有一个事件，这显然让人感到非常兴奋。” 这个“过量”事件是一个反冲事件，向探测器沉积了248千电子伏的能量。LZ研究人员估计，产生这种反冲的暗物质粒子重量相当于至少200吉电子伏（GeV），并且可能约为1,000 GeV（1 GeV大致对应于质子的质量）。 “我们观测到的只是一次高能事件，”埃里克森说。“我们绝不声称这就是暗物质。” 复制此事件 “有一点是肯定的：这个事件非常引人注目，”在英国曼彻斯特大学工作的实验粒子物理学家卡特里娜·多利奥尼说道，她参与了CERN的大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验。由于这次搜索关注的是可能的反冲能量的较少探索区域，刘指出，排除背景“需要极端谨慎”。“平常的解释必须经过彻底调查。”