原標(biāo)題：尋找第4種中微子

LHC重啟后，科學(xué)家希望能產(chǎn)生WIMP。

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　　Harold Cunningham

　　經(jīng)歷了數(shù)十年搜尋和多次失望之后，暗物質(zhì)理論迎來關(guān)鍵時刻?？茖W(xué)家認為，這種神秘物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總和的85%。

　　在經(jīng)歷了重大升級之后，歐洲核子研究委員會（CERN）的大型強子對撞機（LHC）預(yù)計今年3月重新啟動。它被廣泛認為是近期能夠產(chǎn)生和確定一種名為大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）理論中的粒子的最后機會。另外，一個超高靈敏度的“直接探測”實驗——設(shè)計捕捉來自天空的自然生成的WIMP流，也將于今年啟動。

　　但到目前為止，無論LHC還是“直接探測”實驗，都未能發(fā)現(xiàn)WIMP。這些失敗表明，暗物質(zhì)是由其他東西組成的。美國加州大學(xué)歐文分校研究粒子宇宙的理論學(xué)家Kevork Abazajian表示，之前就被認為是冷門候選者的一系列替代選擇，現(xiàn)在看起來“沒那么奇異了”。

　　無論暗物質(zhì)是什么，大多數(shù)天文學(xué)家相信它確實存在。全部普通、“可見”的物質(zhì)無法產(chǎn)生足夠重力，解釋星系內(nèi)部恒星速度以及星系在星系團里的運動。而暗物質(zhì)將揭開謎團，因為它不會吸收和散射光，而科學(xué)家只能通過它對普通物質(zhì)的萬有引力得知其存在。但不同理論提出了哪種相關(guān)粒子具有這些特性的不同假設(shè)。

　　WIMP則是理論學(xué)家的心愛之物。它們相對較重——約在1吉電子伏特（大約為1個質(zhì)子質(zhì)量）到1兆兆電子伏特之間，因此也相對較慢或“冷”。這些特性非常切合當(dāng)下宇宙演化的最好模型，冷暗物質(zhì)光環(huán)是星系和星系團形成的原動力。WIMP還解決了物理學(xué)的兩個獨立分支（粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)）的問題。WIMP的質(zhì)量及其與其他粒子相互作用的強度將有助于解釋為何希格斯玻色子擁有質(zhì)量。但這些數(shù)字還意味著，WIMP可能是在宇宙早期以恰好合適的速率被合成的，這也被稱為“WIMP奇跡”。

　　盡管位于物理學(xué)家急需的清單上，WIMP仍然保持著神秘。2013年，LHC關(guān)停維護，其WIMP搜尋計劃落空。而且南達科他州桑福德地下研究設(shè)施大型地下氙（LUX）探測器實驗最敏感的“直接探測”實驗，在2013年進行的首次主要運轉(zhuǎn)中也未能發(fā)現(xiàn)WIMP。

　　今年，WIMP或?qū)F(xiàn)身。已提高效率的LHC將結(jié)合13兆兆電子伏特的能量撞碎質(zhì)子，其此前運行的最高能量為8兆兆電子伏特。這樣一來，額外的能量將產(chǎn)生之前無法產(chǎn)生的粒子。無獨有偶，今年夏天，一個名為XENON1T實驗的WIMP探測器——位于意大利中部格蘭薩索地下，也計劃啟動。XENON1T項目發(fā)言人、美國哥倫比亞大學(xué)粒子物理學(xué)家Rafael Lang表示，該設(shè)備的敏感度將比LUX大50倍。

　　但美國伊利諾伊州費米國家加速器實驗室宇宙學(xué)家Scott Dodelson提到，一連串令人失望的失敗意味著一些理論學(xué)家已經(jīng)開始從WIMP領(lǐng)域撤退，并開始尋找替代方案。

　　其中一個可能的“候選者”是中微子。這種粒子能與其他種類的物質(zhì)產(chǎn)生弱相互作用，這正是暗物質(zhì)的特性之一。三種目前已知的中微子特性與暗物質(zhì)并不完全相符。但假設(shè)的第四種中微子可能是合格的“候選者”。這種中微子名為“惰性”中微子，因為與其他類型中微子相比，它產(chǎn)生的相互作用更加微弱。

　　2014年12月，歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星繪制了來自早期宇宙的古老輻射圖，但排除了擁有與其他中微子一樣小質(zhì)量的惰性中微子的存在。另外，中國大亞灣中微子實驗也得出了相同的結(jié)論。

　　但回溯到2014年2月，美國馬薩諸塞州哈佛-史密斯天體物理學(xué)中心天體物理學(xué)家Esra Blbl及其同事報告了一種來源于73星系團的神秘光子信號。這種光子的波長與惰性中微子的衰變相一致，約為7千電子伏特，比普通中微子重約3萬倍。

　　他們的結(jié)論發(fā)表于arXiv資料庫中，提出了暗物質(zhì)可能由這種信號產(chǎn)生的一系列建議機制。與WIMP相比，超重中微子仍將很輕。根據(jù)傳統(tǒng)理論，這種性質(zhì)將讓它們“溫暖”，但卻與宇宙進化模型不能很好地統(tǒng)一。

　　不過，Abazajian表示，早期宇宙將產(chǎn)生冷重中微子，而這些粒子將與目前最好的星系形成模型相匹配，在某些情況下甚至優(yōu)于WIMP。“WIMP奇跡擁有理論上的精密。”Abazajian說。但他還補充道，一個重中微子能解決與WIMP同樣的問題。

Dodelson則表示，重中微子證據(jù)“將帶來一場革命”。但到目前為止，許多研究小組都在試圖重復(fù)Blbl得出的結(jié)論，并已取得各種成功。

　　另一個WIMP的替代選擇是軸子，上世紀(jì)70年代，科學(xué)家提出了該粒子相關(guān)假設(shè)。在一個磁場中，軸子能自發(fā)地變成光子，這提供了探測到它們的方法。盡管許多實驗以失敗告終，但以華盛頓大學(xué)Leslie Rosenberg為首的物理學(xué)家正在升級軸子暗物質(zhì)實驗的敏感性。該研究團隊表示，這將有望揭開軸子的神秘面紗。

　　但Rosenberg并沒有放棄WIMP。“仍然對WIMP暗物質(zhì)神經(jīng)過敏。”他說，但“在你變得過度緊張之前，LHC將獲得的2015年數(shù)據(jù)還需要探索”。（張章）