先驱研究表明暗物质的性质比以往任何时候都更加难以捉摸

全球最灵敏的暗物质探测器的新结果进一步缩小了其特征，有望揭开宇宙最大的谜团之一。

位于美国南达科他州桑福德地下研究设施的LUX-ZEPLIN暗物质实验(LZ)分析了大量数据，对暗物质的主要候选者之一——弱相互作用大质量粒子(也称为WIMP)提供了前所未有的见解。

该研究结果于周一在伊利诺伊州芝加哥举行的2024年TeV粒子天体物理学会议和巴西圣保罗举行的2024年LIDINE会议上公布，其灵敏度几乎是之前研究的五倍，表明WIMP很少与普通物质相互作用，证实了暗物质的追踪难度。

LZ项目由美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)牵头。布里斯托尔大学的物理学家参与了这项国际性研究，来自美国、英国、澳大利亚、葡萄牙、韩国和瑞士的250多名研究人员参与其中。这是世界上规模最大、灵敏度最高的暗物质粒子(尤其是WIMP)实验。

合作者、布里斯托尔研究小组的物理学教授兼首席研究员亨宁·弗莱彻(HenningFlaecher)表示：“与之前对WIMP暗物质的搜索相比，这些结果有了显著的改进。我们已经探测了暗物质可能具有的大量质量及其与正常物质的相互作用强度，但到目前为止仍然难以捉摸。寻找暗物质绝对是一场马拉松，而不是短跑，而且LZ仍需收集比这些最新结果所用数据多大约三倍的数据，一切仍需努力。”

LZ没有发现质量高于9GeV/c2的WIMP存在的证据，其中1GeV/c2大致相当于一个氢原子的质量。

这项实验现在需要运行长达1,000天才能实现其最大灵敏度。这一初步结果只是该曝光的一小部分，这证明了长达十年的设计和建造努力的有效性。

LZ在英国得到了英国研究与创新署科学与技术设施委员会的支持，其设计精巧而创新，旨在寻找暗物质的直接证据。暗物质是一种神秘的隐形物质，被认为构成了宇宙的大部分质量。暗物质特别难以探测，因为它不会发射或吸收光或任何其他形式的辐射。

LZ探测器试图捕捉暗物质与其7吨重的液态氙目标之间极为罕见且微弱的相互作用。为此，必须仔细、细致地校准LZ并消除任何背景噪音，以便实验能够完美地调整以观察这些相互作用。

这些理论上的基本粒子与引力相互作用，首先证实了暗物质的存在，而且可能通过一种新的弱相互作用证实了暗物质的存在。

这意味着WIMP有望与普通物质发生碰撞——尽管这种碰撞非常罕见，而且非常微弱。这就是为什么WIMP探测需要非常安静、非常灵敏的粒子探测器。

实验的中心是一个大型液态氙粒子探测器，温度保持在-110oC左右，周围环绕着光传感器。如果WIMP与氙原子相互作用，就会发出微弱的光，传感器会捕捉到它。但为了看到这些罕见的相互作用，研究小组必须首先小心地从探测器材料中去除尽可能多的背景辐射。

但这还不够，这也解释了为什么LZ在地下一英里处运行。这可以保护它免受宇宙射线的侵袭，宇宙射线会轰击地球表面的实验。探测器及其低温恒温器位于一个巨大的水箱内，以保护实验免受来自实验室墙壁的粒子和辐射的影响。

布里斯托尔大学的研究人员在实验中发挥了重要作用，克里斯托弗·赖特和内森·潘尼弗在南达科他州地下1500米处工作，这是他们攻读博士学位的一部分，为外部探测器(OD)的运行和维护做出了贡献。LZ的这个组件用于抑制来自中子和伽马射线的信号，这些背景可以模拟暗物质的相互作用。根据使用OD收集的数据，高级研究员SamEriksen领导了中子否决的开发，并测量了其在当前分析中的效率。

弗莱彻教授补充道：“对于暗物质搜索来说，抑制任何背景辐射源，特别是中子和伽马射线，至关重要。LZ否决探测器使我们能够拒绝此类过程，并获得对极为罕见的暗物质相互作用的敏感性。

“最后，LZ通过长达数年的复杂过程小心地去除关键污染物，确保液态氙本身尽可能纯净。LZ必须将许多复杂系统结合在一起才能工作，这些结果表明它们运行得天衣无缝。”