外卖的关键发现
- 基于280天的数据，LUX-ZEPLIN (LZ)合作项目在未曾实验探测的领域内，对弱相互作用大质量粒子（WIMP）进行了全球领先的搜索。
- 新结果比之前的最佳结果提高了近5倍，并且未发现质量超过9 GeV/c²的WIMP的存在证据。
- 研究人员表示，LZ的研究仅仅是冰山一角。除了探测器的高灵敏度和先进的分析技术外，该合作项目将有望发现暗物质（如果它存在于实验范围内），并探索其他稀有的物理现象。
暗物质是构成宇宙大部分质量的无形物质，揭示其本质是物理学中最大的挑战之一。LUX-ZEPLIN (LZ)作为全球最灵敏的暗物质探测器，其新结果缩小了弱相互作用大质量粒子（WIMP）作为暗物质主要候选者的可能性。
LZ由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）主导，在南达科他州桑福德地下研究设施近一英里的深处寻找暗物质。实验的新结果探索了比以往任何时候都更微弱的暗物质相互作用，并进一步限制了WIMP的可能性。
LZ的发言人、伦敦大学学院（UCL）教授查姆考尔·加格（Chamkaur Ghag）表示：“在暗物质和WIMP方面，这些都是全球领先的新限制。”他指出，探测器和分析技术的表现超出了合作的预期。“如果WIMP存在于我们搜索的区域内，我们就能有力地描述它们的一些特性。我们知道我们具备灵敏度和工具来观察它们是否存在，因为我们在寻找较低能量，并积累了这个实验的大部分生命周期。”
此次合作未发现质量超过9 GeV/c²的WIMP的存在证据。（相比之下，质子的质量略小于1 GeV/c²。）该实验对微弱相互作用的敏感性帮助研究人员排除了与数据不符的潜在WIMP暗物质模型，从而大幅减少了WIMP隐藏的可能性。新的结果于8月26日在两个物理会议上发布：伊利诺伊州芝加哥的TeV粒子天体物理学2024和巴西圣保罗的LIDINE 2024。一篇科学论文将在未来几周内发表。
结果分析基于280天的数据：一组新的220天数据（收集于2023年3月至2024年4月），结合LZ首次运行的60天数据。该实验计划在2028年结束前收集1000天的数据。
LZ的副物理协调员、德克萨斯大学奥斯汀分校教授斯科特·克拉维茨（Scott Kravitz）表示：“如果把寻找暗物质比作寻找埋藏的宝藏，那么我们的挖掘深度几乎是过去任何人的五倍。”“这不是用一百万个铲子就能做到的——你需要发明一种新工具。”
一组光电倍增管，用于探测LZ液态氙探测器内粒子相互作用产生的信号。（资料来源：马修·卡普特/桑福德地下研究机构）
LZ的灵敏度源于探测器能够通过多种方式减少背景噪声，这些错误信号可能会模拟或掩盖暗物质的相互作用。在地下深处，探测器被屏蔽了来自宇宙的射线。为了减少日常物品的自然辐射，LZ由数千个超净、低辐射的部件构成。探测器的结构如同洋葱，每一层要么阻挡外部辐射，要么跟踪粒子的相互作用，以排除暗物质的模拟。复杂的新分析技术有助于排除背景相互作用，尤其是来自最常见的干扰源：氡的相互作用。
这一结果也是LZ首次应用“盐化”技术——一种在数据收集过程中添加假WIMP信号的技术。通过掩盖真实数据，直到最后“去除盐分”，研究人员可以避免无意识的偏见，防止过度解释或改变他们的分析。
“我们正在推动边界，进入一个人们以前从未探索过的暗物质领域，”LZ物理协调员、伯克利实验室的张伯伦研究员斯科特·哈泽尔施瓦特（Scott Haselschwardt）表示，他现在是密歇根大学的助理教授。“人类倾向于在数据中寻找模式，因此在进入这个新领域时，保持无偏见是非常重要的。”如果你有了发现，你就会想要确保其准确性。”
暗物质之所以被称为“暗”，是因为它不发射、反射或吸收光，估计占宇宙质量的85%，但从未被直接探测到，尽管它在多次天文观测中留下了痕迹。如果没有宇宙中这个神秘而基本的部分，我们就不会存在；暗物质的质量有助于引力的吸引，帮助星系的形成和维持。
LZ使用了10吨液态氙，为暗物质粒子提供了一种致密透明的材料。希望WIMP能够撞击氙核，使其移动，就像在台球游戏中被主球击中一样。通过收集相互作用过程中发射的光和电子，LZ捕获潜在的WIMP信号以及其他数据。
“我们已经证明了作为WIMP搜索机器的强大能力，我们将继续运行并不断改进——但我们可以用这个探测器做很多其他事情，”负责WIMP搜索的艾米·科特尔（Amy Kotel）说，她是伦敦大学学院的助理教授。“下一阶段是利用这些数据研究其他有趣和稀有的物理过程，比如氙原子的罕见衰变、无中微子双β衰变、来自太阳的硼-8中微子，以及其他超出标准模型的物理。此外，我们还将探索过去20年里一些最有趣、以前无法进入的暗物质模型。”
LZ是来自美国、英国、葡萄牙、瑞士、韩国和澳大利亚38个机构的约250名科学家和工程师的合作项目；建立、操作和分析创纪录实验的大部分工作都是由早期职业研究人员完成的。该团队期待分析下一个数据集，并使用新的分析技巧寻找更低质量的暗物质。科学家们也在考虑通过潜在的升级进一步改进LZ，并计划建造下一代暗物质探测器XLZD。
克拉维茨表示：“我们寻找暗物质的能力正在以比摩尔定律更快的速度提高。”“如果你看看指数曲线，之前的一切都不算什么。敬请期待接下来会发生什么。”
LZ得到了美国能源部、科学办公室、高能物理办公室和国家能源研究科学计算中心（美国能源部科学办公室的一个用户设施）的支持。LZ还得到了英国科学与技术设施委员会、葡萄牙科学和技术基金会、瑞士国家科学基金会和韩国基础科学研究院的支持。超过38所高等教育和先进研究机构为LZ提供支持。LZ的合作得到了桑福德地下研究机构的协助。
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