LZ團隊在尋找暗物質方面創下新紀錄

主要要點

• 擁有280天的數據，LUX-ZEPLIN（LZ）合作團隊在以前未探測過的領域進行了世界領先的弱相互作用大質量粒子（WIMP）搜索。

• 這一新結果比之前公佈的世界最佳結果好近五倍，並且在質量超過9 GeV/c²的範圍內未找到WIMP的證據。

• 研究人員只觸及了LZ所能做的表面。憑藉探測器的卓越靈敏度和他們的先進分析技術，該合作團隊準備好在暗物質如果存在於實驗範圍內的情況下進行發現，並探索其他稀有物理現象。

揭示暗物質的本質——這種組成宇宙大部分質量的不可見物質——是物理學最大的難題之一。來自世界上最敏感的暗物質探測器LUX-ZEPLIN（LZ）的新結果，已經縮小了弱相互作用大質量粒子（WIMPs）這一主要暗物質候選者的可能性範圍。

LZ實驗由美國能源部的洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）主導，該實驗位於南達科他州的聖福特地下研究設施，探測器安置在將近一英里的地下洞穴中。這次實驗的新結果探討了之前未曾檢查過的較弱暗物質相互作用，進一步限制了WIMPs的可能性。

“這些是針對暗物質和WIMPs的新世界領先限制，幅度相當可觀，”LZ發言人、倫敦大學學院（University College London，UCL）教授Chamkaur Ghag表示。他指出，探測器和分析技術的表現超出了合作團隊的預期。“如果WIMPs存在於我們搜索的區域內，我們就能夠準確地發表一些關於它們的看法。我們知道，在搜索低能量並累積這項實驗的主要持續時間時，我們擁有敏感度和工具來確定它們是否存在。”

該合作團隊未發現質量超過9吉電子伏特/c²（GeV/c²）的WIMP證據。（作為比較，質子的質量略低於1 GeV/c²。）該實驗對微弱相互作用的敏感性幫助研究人員排除不符合數據的潛在WIMP暗物質模型，從而顯著減少WIMP隱藏的可能地點。這些新結果於8月26日在兩個物理學會議上發表：在伊利諾伊州芝加哥舉行的TeV粒子天體物理學2024會議和巴西聖保羅的LIDINE 2024會議。將於未來幾週發表一篇科學論文。

這些結果分析了280天的數據：一組新的220天數據（收集於2023年3月至2024年4月期間）結合了LZ首次運行時的60天早期數據。該實驗計劃在2028年結束前收集1,000天的數據。

“如果將尋找暗物質比喻為尋找埋藏的寶藏，那麼我們挖掘的深度幾乎是任何人過去的五倍，”LZ的副物理協調員、德克薩斯大學奧斯丁分校教授斯科特·克拉維茨（Scott Kravitz）表示。“這不是用一百萬把鏟子能做到的——而是通過發明一種新工具來實現的。”

LZ的靈敏度來源於探測器減少背景噪聲的多種方法，這些背景噪聲是可能模仿或隱藏暗物質相互作用的假信號。在深地下，探測器受到來自太空的宇宙射線遮蔽。為了減少來自日常物體的自然輻射，LZ由數千個超潔淨、低輻射的零件組成。探測器的設計類似於洋蔥，每一層要麼阻擋外部輻射，要麼跟踪粒子相互作用，以排除暗物質的模仿者。而且，先進的新分析技術有助於排除背景相互作用，特別是最常見的罪魁禍首：氡。

這項結果也是LZ首次應用“加鹽”（salting）技術——在數據收集過程中添加假WIMP信號。通過將真實數據伪裝起來，直到最後進行“去鹽化”時，研究人員可以避免無意識的偏見，並防止過度解釋或更改其分析。

“我們正在推動邊界進入一個之前沒有人尋找暗物質的領域，”LZ的物理協調員斯科特·哈塞爾施瓦特（Scott Haselschwardt）表示。他曾是伯克利實驗室的查姆伯蓮研究員，現在是密歇根大學的助理教授。“人類容易在數據中尋找模式，因此當你進入這個新領域時，避免任何偏見的混入是非常重要的。如果你有了一個發現，你希望能正確地理解它。”

暗物質因不發射、反射或吸收光而得名，估計佔宇宙質量的85%，但從未被直接探測到，儘管它在多個天文觀測中留下了痕跡。沒有這種神秘卻基本的宇宙成分，我們便不會存在；暗物質的質量貢獻了引力，幫助星系形成並保持團結。

LZ使用10噸液態氙，提供一種密集、透明的材料，讓暗物質粒子可能撞擊。希望WIMP能撞擊氙核，使其移動，類似於在台球遊戲中，母球撞擊其他球的效果。通過收集在相互作用過程中發射的光和電子，LZ可以捕捉到潛在的WIMP信號以及其他數據。

“我們已經證明了自己作為WIMP搜索機器的強大，我們將繼續運行並變得更好——但我們還能用這個探測器做很多其他事情，”WIMP搜索工作的負責人、倫敦大學學院助理教授艾米·科特爾（Amy Cottle）表示。“下一個階段是利用這些數據檢視其他有趣和稀有的物理過程，比如氙原子的稀有衰變、無中微子的雙β衰變、來自太陽的硼-8中微子，以及其他超出標準模型的物理。此外，我們還將探索在過去20年中一些最有趣且以前無法接觸的暗物質模型。”

LZ是一個由約250名科學家和工程師組成的合作團隊，來自美國、英國、葡萄牙、瑞士、南韓和澳大利亞的38個機構；在建造、運行和分析這項創紀錄的實驗的過程中，大部分工作是由早期職業研究者完成的。該合作團隊已經期待著分析下一個數據集，並利用新的分析技術來尋找更低質量的暗物質。科學家們也在考慮潛在的升級方案，以進一步改進LZ，並計劃下一代的暗物質探測器XLZD。

“我們搜尋暗物質的能力提升速度已超過摩爾定律，”克拉維茨（Kravitz）說。“如果你看一個指數曲線，現在之前的一切都是微不足道的。等著看接下來會發生什麼吧。”

LZ得到了美國能源部科學辦公室、高能物理辦公室和國家能源研究科學計算中心的支持，這是一個美國能源部科學辦公室的用戶設施。LZ也得到了英國科學與技術設施委員會、葡萄牙科學與技術基金會、瑞士國家科學基金會以及韓國基本科學研究所的支持。超過38所高等教育和高級研究機構為LZ提供了支持。LZ合作團隊感謝聖福特地下研究設施的協助。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過對清潔能源、健康地球和發現科學的研究，為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決最大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個由加利福尼亞大學管理的多計畫國家實驗室，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。