氙的实验胜利：没有暗物质但历史上最好的“无结果”

搜索暗物质氙合作组织绝对的没有发现任何非通常的东西。这里是为什么这是一项超常的壮举。

STARTS WITH A BANG — JULY 27, 2022

Ethan Siegel

 

当一个入射粒子击中一个原子核时，它能导致自由电荷和/或光子的产生，这能产生一个在目标周围的光电倍增管中可见的信号。氙探测器利用这一想法，使它成为世界上最灵敏的粒子探测实验。

(Credit: Nicolle Rager Fuller/NSF/IceCube)

关键要点

当你正在试图检测某系你以前从未见过的东西时，很容易愚弄你自己成你已经找到了你想要的东西。 

是小心的、精确的和原始的是远更困难的，并对关于什么被排除和什么仍然可能的设定越发的最大限制。

在试图直接探测暗物质中，氙合作组织刚好打破之前的所有记录，把我们比以往任何时候都更带接知道暗物质能是什么和不能是什么实际上是的。

100多年前，物理学的基础被一个毕竟测量的什么都没有的实验扔进完全混沌。科学家们知道地球随它在它的轴上旋转并绕太阳公转穿过空间移动，科学家们在两个不同的方向中发送光束------一个沿着地球的运动方向，一个垂直于它------然后将它们反射回它们的起点，在到达时重新结合它们。无论地球的运动会已经在光线中造成什么变化都会印在这个重新结合的信号上，允许我们来确定宇宙的真正“静止框架”。

然而，毕竟绝对的没有观察到的移变。迈克尔逊-莫雷实验尽管取得了“无结果”，但最终将改变我们的宇宙内运动的理解，导致伺候洛仑兹变换和狭义相对论。只有通过取得如此一个高质量、高精度的结果，我们才能了解宇宙正在做什么和没有正在做什么。

今天，我们了解了光怎样传播，但其他更难解决的难题仍然存在，比如弄清楚暗物质的本质。凭借他们最新、最伟大的结果，氙（XENON）合作组织打破了他们自己的对暗物质怎样可能正在与原子基的物质相互作用灵敏度的记录。尽管一个“无结果”，但这是实验物理学史上最令人兴奋的结果之一。这里是为什么的科学。

在宇宙中形成的暗物质结构（左）和由此产生的可见星系结构（右）在冷、暖和热暗物质宇宙中自上而下的显示。从我们有的观察，至少98%以上的暗物质一定是要么冷要么温的，热被排除。在所有点上各种不同尺度上的宇宙许多不同方面的观测都间接指向暗物质的存在。

(Credit: ITP, University of Zurich)

间接的暗物质的证据来自天体物理学上宇宙的观测，绝对是压倒性的。因为我们知道引力怎样工作，我们能计算出在各种结构中需要多少物质------单个星系，成对相互作用的星系、星系团内，分布在整个宇宙网中等等------来解释我们观察到的属特。宇宙中的正常物质，由质子、中子和电子等物质组成，只是不足够。在哪里一定有某种其他形式的质量，而不是被标准模型描述的，以便宇宙以我们实际观察它正在行为的方式行为。

间接探测是难以执行的告知的，但物理学是一门比简单描述宇宙中正在发生的有更大雄心的科学。相反，我们希望了解发生的每个和每一次相互作用的细节，允许我们用非常精确来预测任何实验设置将是的结果。对于暗物质的问题，这意味着要了解构成我们宇宙中暗物质的确切属性，包括理解它怎样与自身、与光以及与构成我们自己在地球上的身体的正常的、基于原子的物质相互作用。

氙探测器及其低背景低温恒温器被安装在一个大型水盾的中心来针对宇宙射线背景保护仪器。这种设置使从事氙实验的科学家能够大大降低他们的背景噪声，并更自信地来自他们正试图研究的过程的信号。XENON不仅搜素重的类似弱相互作用质量粒子暗物质，而且寻找其他形式的潜在暗物质和暗能量。(Credit: XENON Collaboration)

现在氙合作组织已经进行实验多年，试图以一种非常特别的方式来直接探测暗物质。原则上，氙实验的想法实际上非常简单，能以刚好几个步骤解释。

步骤1：为暗物质创建一个原始目标来潜在的与之相互作用。他们选择了大量的氙原子，因为氙是一种惰性气体（非化学上反应的），在它的原子核中有大量的质子和中子。

步骤2：将该目标屏蔽免受所有潜在的污染源，如放射性、宇宙射线、大气现象、太阳等。他们通过在地下深处建造探测器，并设置起一系列“否决”信号来去除已知的污染物做到这一点。

第3步：构建一个对可能源自任何您有兴趣观察的过程信号都非常敏感的探测器对。在这个实验的情况中，这就是所谓的一个时间投影室，在那里一个氙原子和任何粒子之间的碰撞将创造一个能被重建的轨迹一样签名。当然，暗物质粒子并不是唯一将出现的签名，这就是为什么下一步是......

步骤4：精确了解剩余的背景。总会有你不能去除的信号：来自太阳的中微子、来自周围地球的自然放射性、一直向下穿过干预的地球的宇宙射线μ介子等等。重要的是要量化和理解它们，以便它们能被适当的解释。

步骤5：然后，通过测量在背景上方出现并突出的任何信号，确定暗物质怎样与你的目标物质相互作用剩下的可能性。

在氙的实验目标边缘的光电倍增管（早期迭代氙100，如图所示）对于重建发生在探测器内部事件和它们的能量是至关重要的。尽管大多数检测到的事件仅与一个背景一致，但在2020年一个低能量的无法解释的过剩被看到，激发许多人的想象力。(Credit: XENON collaboration)

氙实验的真正美丽在于它被设计是可扩展的。随氙实验的每次连续迭代，它们已经增加了探测器中存在的氙的数量，这反过来又增加了实验对任何可能存在的暗物质和正常物质之间相互作用的敏感性。如果甚至1/100000000000000000000个氙原子在一年内会已经被暗物质粒子击中，造成能量和动量的交换，这种设置将能够检测到它。

随着时间的推移，氙合作组织已经从千克走到数百公斤到一吨到现在的5.9吨液态氙气为他们实验中的“目标”。（这就是为什么实验的当前迭代被称为XENONnT，因为它是一个升级到“n”吨的目标氙，其中n现在实在的大于1）。同时，随着对实验的每次连续升级，他们还已经能够通过更好地理解、量化和屏蔽探测器免受可能模仿一个潜在暗物质签名的混杂信号来减少他们所谓的“实验背景”。

对粒子暗物质的追求已经导致我们来寻找可能与原子核反冲的弱相互作用质量粒子。LZ合作组织（氙合作组织的一个当代竞争对手）将为弱相互作用质量粒子-核子横截面提供最佳限制，但可能不如氙能的那样善于揭示低能候选者。(Credit: LZ collaboration/SLAC)

氙合作组织实验的一个显着特性是它们对潜在的覆盖一百多万按能量和质量的信号是敏感的。尽管我们知道（从间接天体物理学证据）暗物质一定在整个宇宙中存在多少，但可以采取以下形式：

大量的小质量粒子，

适中的中等质量的粒子数量，

一个更少的重质量粒子的数量

或者一个非常少的极端的质量粒子数量。

从间接约束它可能是其中任何一个。但直接探测实验的一个力量是来自一个碰撞赋予一个单个氙原子会是的能量和动量的量依靠撞击它的粒子的质量是不同的。

换句话说，通过构建我们的探测器以便它对从一个碰撞一个氙原子接收的能量和一个氙原子从一个碰撞接收的动量是敏感的，我们能确定撞击它的粒子的性质（和静止质量）。

该图像显示一个原型时间投影室（TPC）的内部，原型时间投影室是检测非常敏感的粒子物理实验中反冲和碰撞的最重要工具之一。这些是实验暗物质和中微子探测努力的核心技术。(Credit: Reidar Hahn, Fermilab)

这一点真的重要的，因为即便我们有一些理论上首选的暗物质可能是的模型，实验所做一整套许多不仅仅是排除或验证某些模型的。通过观察我们以前从未看过的地方------在更大的精度，在更原始的条件下，用更多的统计数据等等------我们能对暗物质能是什么和不能是什么放上约束而不管任何数量的理论模型预测。这些约束适用于从非常低质量到非常高质量的暗物质可能性;氙实验刚好是这么全面好的。

正如我们知道关于宇宙的一样，除了已经被建立的东西之外，物理学始终是一门实验和观测科学。无论我们的理论知识在哪里结束，我们都必须始终依靠关于宇宙的实验、观察和测量来帮助指导我们前进。有时你会发现空结果，这给我们甚至比以往仍然允许的的更严紧的约束。有时你发现你确实检测到了一些东西，这导致进一步的调查来找出是否你已经检测到的东西真的是你所追求的信号，或者是否一个你的背景被需要的改进了解。有时，你会发现一些完全出乎意料的事情，这以许多方式对所有希望是最好的结果。

毋庸置疑，XENON1T合作组织已经见过不能仅凭预期的背景解释的事件。三种解释似乎拟合数据，其中氚污染物和太阳轴子（或两者的组合）是数据的最佳拟合。中微子磁矩的解释还有其他非常不利于它的约束。(Credit: E. Aprile et al. for the XENON Collaboration, PRD, 2020)

就在两年前，与氙实验（XENON1T）的先前化身一起工作，浮现了一些惊奇：以当时从来最敏感的暗物质直接探测努力，在特别低的能量下看到了一个过量的事件：大约是电子剩余质量当量的0.5%。虽然有些人立即跳到可以想象到的最疯狂的结论------它是某种奇异类型的暗物质，比如一个伪标量或一个玻色子一样的矢量粒子------但实验合作组织是要更多测量的和负责的。

当然，他们谈到了奇异的可能性，包括太阳轴子和中微子有一个异常磁矩的可能性，但他们也确保在这种场景中来折合进相关的预先存在的约束。他们谈到了这个信号被一个迄今为止未被考虑到的背景污染源造成，周围纯净水中的氚是一个有趣的来源。（对于当时包括约10^28个氙原子的实验规模，总共只有几千个氚分子可能已经造成了该信号）。

但氙合作组织并不止于此。他们的首要任务是更好量化和减少它们的背景，并且知道他们的下一次实验迭代将为好永远回答这个问题。

来自XENON合作组织的XENONnT迭代的最新结果清楚地表明一个与XENON1T相比改进了约5倍的背景，并完全消除了以前见过的过量低能信号的任何证据。这是实验物理学的一个巨大胜利。(Credit: E. Aprile et al. for the XENON Collaboration, arXiv:2207.11330, 2022)

现在，在2022年，尽管全球大流行了两年多，但氙合作组织已经以闪闪发光的方式通过。他们已经如此成功地降低了他们的背景以至于它比两年前改进了一个约5倍的因素：对于这种规模的实验这几乎是闻所未闻的改进。自由中子是最大的污染源之一，已经比以往任何时候都更被量化和理解，该团队提出了一个全新的系统来拒绝这种类型的背景。

不是狩猎可能已经在他们最后努力中存在的“机器中的幽灵”，而是他们只是吸取了教训并做了一个更优秀的工作。

结果呢？

相当简单，他们表明了在之前的实验中任何造成低能量轻微过量的东西都不是在这次迭代中一个反复出现的信号，彻底证明它是不需要的背景的部分，而不是一个某种新型粒子撞击他们装置中氙核的信号。事实上，仍然存在的背景被如此好的理解以至于它现在被二阶弱衰变主导：其中一个氙-124原子核同时的捕获两个电子，或者一个氙-136原子核同时看到它的两个中子放射性衰变。

氙原子以许多不同的同位素而来。其中两个Xe-124和Xe-136展现出双重弱衰变，这些罕见的事件现在在2022年XENON合作组织运行XENONnT的实验中主导低能量背景。(Credit: E. Aprile et al. for the XENON Collaboration, arXiv:2207.11330, 2022)

所有这些加在一起，对实验意味着三件事。

氙合作组织现在已经打破了记录------他们自己的记录提醒你------从来最敏感的直接探测暗物质实验。以前从未有过如此多的粒子被保存在如此原始的条件下，并且随着时间让它们的属性如此精确的测量。参与寻找粒子暗物质的许多其他合作应该将XENON视为如何正确做到这一点的典型代表。

氙合作组织在2020年探测到了一些可能指向新物理学的新东西的想法已经终于被氙合作组织本身搁置。有成百上千的理论论文试图为过剩的东西可能是的捏造各种疯狂的解释，但没有一篇能促进我们的宇宙的理解，哪怕是一点点。分辨率实验上出现了，再次展示一个质量实验的力量。

当谈到暗物质问题时，来自氙合作组织的这些最新结果已经给我们跨各种度量的从来在大质量暗物质粒子仍然被允许有的同时与这个实验一致的的粒子特性上最严格的约束。

总而言之，对直接探测奋斗以更好地了解宇宙这是一个壮观的胜利。

这张4面板图显示对太阳轴子、中微子磁矩以及两种不同“风味”的暗物质候选上的约束，所有都被最新XENONnT结果约束。这些是物理学史上最好的约束，并且显着证明氙合作组织已经在他们所做的事情上获得了的。(Credit: E. Aprile et al. for the XENON Collaboration, arXiv:2207.11330, 2022)

也许所有最大的特点是氙合作组织如何谨慎的进行这项研究：他们做了一个完全的盲分析。这意味着他们在从来观察数据之前仔细进行了所有他们的期望和理解是的说明，并在当关键时刻到来时简单地传送那个数据进来。当他们“不盲”他们自己并看到结果时，看到了他们的背景有多低、他们的信号有多好，以及以前的“提示”只是不能出现在最新的数据中，他们知道他们已经解决了他们之前的问题。这是实验物理学的一场狂妄的胜利，也是科学进程中一个无可争议的胜利。

有很多人------甚至一些科学家------谴责“无结果”对科学是不重要的，而这些人是必须不惜一切代价远离实验物理学的人。物理学过去是将来也永远是一门实验科学，它的前沿总是超越我们最成功看过的地方。我们没有办法知道在已知边界之外躺着什么，但每当我们能看的时候，我们确实看到我们的好奇心不能仅仅被教皇化满足。宇宙不仅在那里供我们来探索，而且就在这里：在地球上的每一个亚原子粒子中。凭借壮举新的结果组氙已经被实验排除的地方，还有更多的仍要到来。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/xenon-no-dark-matter/