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。

　    圖片來(lái)源：

　　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(lái)關(guān)鍵時(shí)刻。科學(xué)家認(rèn)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(jí)之后，歐洲核子研究委員會(huì)（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）預(yù)計(jì)今年3月重新啟動(dòng)。它被廣泛認(rèn)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(jī)會(huì)。另外，一個(gè)超高靈敏度的“直接探測(cè)”實(shí)驗(yàn)——設(shè)計(jì)捕捉來(lái)自天空的自然生成的WIMP流，也將于今年啟動(dòng)。

　　但到目前為止，無(wú)論LHC還是“直接探測(cè)”實(shí)驗(yàn)，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(guó)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(rèn)為是冷門候選者的一系列替代選擇，現(xiàn)在看起來(lái)“沒(méi)那么奇異了”。

　　無(wú)論暗物質(zhì)是什么，大多數(shù)天文學(xué)家相信它確實(shí)存在。全部普通、“可見(jiàn)”的物質(zhì)無(wú)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(tuán)里的運(yùn)動(dòng)。而暗物質(zhì)將揭開(kāi)謎團(tuán)，因?yàn)樗粫?huì)吸收和散射光，而科學(xué)家只能通過(guò)它對(duì)普通物質(zhì)的萬(wàn)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(ài)之物。它們相對(duì)較重——約在1吉電子伏特（大約為1個(gè)質(zhì)子質(zhì)量）到1兆兆電子伏特之間，因此也相對(duì)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(tuán)形成的原動(dòng)力。WIMP還解決了物理學(xué)的兩個(gè)獨(dú)立分支（粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)）的問(wèn)題。WIMP的質(zhì)量及其與其他粒子相互作用的強(qiáng)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(hù)，其WIMP搜尋計(jì)劃落空。而且南達(dá)科他州桑福德地下研究設(shè)施大型地下氙（LUX）探測(cè)器實(shí)驗(yàn)最敏感的“直接探測(cè)”實(shí)驗(yàn)，在2013年進(jìn)行的首次主要運(yùn)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(yùn)行的最高能量為8兆兆電子伏特。這樣一來(lái)，額外的能量將產(chǎn)生之前無(wú)法產(chǎn)生的粒子。無(wú)獨(dú)有偶，今年夏天，一個(gè)名為XENON1T實(shí)驗(yàn)的WIMP探測(cè)器——位于意大利中部格蘭薩索地下，也計(jì)劃啟動(dòng)。XENON1T項(xiàng)目發(fā)言人、美國(guó)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(guó)伊利諾伊州費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)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(kāi)始從WIMP領(lǐng)域撤退，并開(kāi)始尋找替代方案。

　　其中一個(gè)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?yàn)榕c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(lái)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(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論。

　　但回溯到2014年2月，美國(guó)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(bào)告了一種來(lái)源于73星系團(tuán)的神秘光子信號(hào)。這種光子的波長(zhǎng)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(wàn)倍。

　　他們的結(jié)論發(fā)表于arXiv資料庫(kù)中，提出了暗物質(zhì)可能由這種信號(hào)產(chǎn)生的一系列建議機(jī)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(jìn)化模型不能很好地統(tǒng)一。

　　不過(guò)，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(shuō)。但他還補(bǔ)充道，一個(gè)重中微子能解決與WIMP同樣的問(wèn)題。

Dodelson則表示，重中微子證據(jù)“將帶來(lái)一場(chǎng)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(gè)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(gè)磁場(chǎng)中，軸子能自發(fā)地變成光子，這提供了探測(cè)到它們的方法。盡管許多實(shí)驗(yàn)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(jí)軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的敏感性。該研究團(tuán)隊(duì)表示，這將有望揭開(kāi)軸子的神秘面紗。

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