暗物质是一种看不见的物质，它构成了我们宇宙中的大部分质量，弄清暗物质的本质是物理学中最大的难题之一。世界上最灵敏的暗物质探测器LUX-ZEPLIN（LZ）的最新研究成果缩小了暗物质主要候选者之一的可能性：弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。
LZ 的中央探测器--时间投影室，在运往地下之前位于地面实验室的洁净室中。图片来源：Matthew Kapust/桑福德地下研究设施
LZ由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导，在南达科他州桑福德地下研究设施地下近一英里的洞穴中寻找暗物质。该实验的新结果探索出了比以往任何时候都要弱的暗物质相互作用，并进一步限制了 WIMPs 的可能性。
光电倍增管阵列，用于检测 LZ 的液态氙槽中出现的信号。图片来源：Matt Kapust/桑福德实验室
LZ发言人、伦敦大学学院（UCL）教授查姆考尔-加格（Chamkaur Ghag）说："这是对暗物质和WIMPs的新的世界领先制约，而且幅度相当大。"他指出，探测器和分析技术的表现甚至比合作方预期的还要好。"如果 WIMPs 出现在我们搜索的区域内，我们就能有力地说明一些问题。我们知道，随着我们搜索更低的能量和累积这个实验的大部分寿命，我们拥有了查看它们是否存在的灵敏度和工具"。
该合作项目没有发现质量超过 9千兆电子伏特/平方厘米（GeV/c2）的 WIMP 的证据（作为对比，质子的质量略低于 1 GeV/c2）。(该实验对微弱相互作用的敏感性帮助研究人员剔除了不符合数据的潜在WIMP暗物质模型，从而大大减少了WIMP的藏身之处。新成果于8月26日在两个物理学会议上公布：伊利诺伊州芝加哥的TeV粒子天体物理学2024会议和巴西圣保罗的LIDINE 2024会议。科学论文将在未来几周内发表。
外部探测器安装完毕后，LZ 小组成员在 LZ 水箱中。资料来源：桑福德地下研究设施，马修-卡普斯特
结果分析了 280 天的数据：一组新的 220 天数据（在 2023 年 3 月至 2024 年 4 月期间收集）与 LZ 首次运行的 60 天数据相结合。实验计划在2028年结束前收集1000天的数据。
LZ的物理副协调员、德克萨斯大学奥斯汀分校教授斯科特-克拉维茨（Scott Kravitz）说："如果你认为寻找暗物质就像寻找埋藏的宝藏，那么我们挖得几乎比过去任何人都要深五倍。这不是用一百万把铲子就能做到的--需要发明一种新工具。"
2023 年 6 月，LZ 合作成员聚集在桑福德地下研究设施，就在实验开始最近的科学运行后不久。图片来源：Stephen Kenny/桑福德地下研究设施
LZ 的灵敏度来自于探测器可以通过无数种方式减少背景，即可以冒充或隐藏暗物质相互作用的虚假信号。在地下深处，探测器屏蔽了来自太空的宇宙射线。为了减少来自日常物体的自然辐射，LZ 是由数千个超洁净、低辐射的部件建造而成的。探测器的构造就像一个洋葱，每一层都可以阻挡外界辐射，或者跟踪粒子的相互作用，以排除暗物质模拟物。复杂的新分析技术有助于排除本底相互作用，尤其是最常见的罪魁祸首：氡。
这项成果也是LZ首次应用"加盐"技术--一种在数据收集过程中添加假WIMP信号的技术。通过伪装真实数据直到最后"取消加盐"，研究人员可以避免无意识的偏见，避免过度解释或改变他们的分析。
LZ物理协调员斯科特-哈塞尔施瓦特（Scott Haselschwardt）说："我们正在把边界推向一个人们以前从未寻找过暗物质的领域，人类有一种倾向，就是希望看到数据中的模式，所以当你进入这个新领域时，最重要的是不能有任何偏见。有了发现，就想把它做对。"他是伯克利实验室的张伯伦研究员，现在是密歇根大学的助理教授。
据估计，暗物质占宇宙质量的 85%，但从未被直接探测到，尽管它在多项天文观测中留下了痕迹。如果没有这个神秘而又基本的宇宙组成部分，我们就不会存在；暗物质的质量有助于引力吸引，帮助星系形成并保持在一起。
LZ 使用 10 吨液态氙为暗物质粒子提供了一种致密、透明的材料，使其有可能撞上。我们希望暗物质粒子撞击氙原子核，使其移动，就像打台球时被母球击中一样。通过收集相互作用时发出的光和电子，LZ 可以捕捉潜在的 WIMP 信号和其他数据。
"我们已经展示了我们作为WIMP搜索机器的强大实力，我们将继续运行并变得更好--但我们还可以用这个探测器做很多其他事情，"WIMP搜索工作的领导者、UCL的助理教授艾米-科特尔（Amy Cottle）说。"下一阶段，我们将利用这些数据研究其他有趣而罕见的物理过程，比如氙原子的罕见衰变、无中子的双β衰变、来自太阳的硼-8中微子，以及其他超越标准模型的物理过程。除此之外，还可以探测过去 20 年中一些最有趣的、以前无法获得的暗物质模型。"
LZ是由来自美国、英国、葡萄牙、瑞士、韩国和澳大利亚的38个机构的大约250名科学家和工程师合作完成的；这项创纪录的实验的大部分建造、运行和分析工作都是由早期职业研究人员完成的。合作团队已经开始期待分析下一组数据，并使用新的分析技巧来寻找更低质量的暗物质。科学家们还在思考进一步改进 LZ 的潜在升级方案，并计划建造名为 XLZD 的下一代暗物质探测器。
克拉维茨说："我们搜寻暗物质的能力正在以比摩尔定律更快的速度提高。光看一条指数曲线，之前的一切都不算什么。等着看接下来会发生什么吧。"
编译自/ScitechDaily