关键的外卖
- 利用280天的数据，LUX-ZEPLIN (LZ)合作项目在以前没有实验探测过的领域对弱相互作用大质量粒子(wimp)进行了世界领先的搜索。
- 新的结果比之前世界上发表的最好结果好了近5倍，并且没有发现质量超过9 GeV/c2的wimp存在的证据。
- 研究人员没有我们只了解了LZ的皮毛。除了探测器的例外凭借高灵敏度和先进的分析技术，这项合作将发现暗物质，如果它存在于实验范围内，并探索其他罕见的物理现象。
暗物质是构成我们宇宙中大部分质量的无形物质，弄清楚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)的新结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(wimp)。
LZ由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。实验的新结果探索了比以往任何时候都弱的暗物质相互作用，并进一步限制了wimp的可能。
LZ的发言人、伦敦大学学院(UCL)教授查姆考尔·加格(Chamkaur Ghag)说:“在暗物质和wimp方面，这些都是世界领先的新限制。”他指出，探测器和分析技术的表现甚至比合作预期的要好。“如果wimp在我们搜索的区域内，我们就能有力地说明它们的一些情况。我们知道我们有灵敏度和工具来观察它们是否存在，因为我们在寻找较低的能量，并积累了这个实验的大部分生命周期。”
此次合作没有发现质量超过9千兆电子伏特/c2 (GeV/c2)的wimp存在的证据。(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拒绝了与数据不匹配的潜在WIMP暗物质模型，从而大大减少了WIMP隐藏的空间。新的结果在8月26日的两个物理会议上发表: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。
结果分析了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)说:“如果你把寻找暗物质想象成寻找埋藏的宝藏，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——你可以发明一种新工具。”
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的灵敏度来自于探测器可以减少背景的无数种方法，这些错误的信号可以模拟或隐藏暗物质的相互作用。在地下深处，探测器被屏蔽了来自太空的宇宙射线。为了减少日常物品的自然辐射，LZ由数千个超净、低辐射的部件建造而成。探测器的构造就像一个洋葱，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，特别是来自最常见的罪魁祸首: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，避免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寻找过暗物质的领域，”斯科特·哈泽尔施瓦特(Scott Haselschwardt)说，他是LZ物理协调员，也是伯克利实验室最近的张伯伦研究员，现在是密歇根大学的助理教授。“人类倾向于在数据中看到模式，所以当你进入这个新制度时，不要有偏见，这一点非常重要。”如果你有了发现，你就会想把它弄对。”
暗物质之所以如此命名，是因为它不发射、反射或吸收光，据估计，它占宇宙质量的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又基本的部分，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。
“我们已经证明了我们作为一个WIMP搜索机器是多么强大，我们将继续运行并变得更好——但是我们可以用这个探测器做很多其他的事情，”领导WIMP搜索工作的艾米·科特尔说，她是伦敦大学学院的助理教授。“下一阶段是利用这些数据来研究其他有趣和罕见的物理过程，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，我们还探索了过去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、操作和分析创记录实验的大部分工作都是由早期职业研究人员完成的。该团队已经在期待分析下一个数据集，并使用新的分析技巧来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来进一步改进LZ，并计划建造下一代暗物质探测器XLZD。
克拉维茨说:“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，在此之前的一切都不算什么。等着瞧接下来会发生什么吧。”
LZ由美国能源部、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)提供支持。LZ还得到了英国科学与技术设施委员会的支持;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。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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