本文与 Futurity联合发布。
全球最灵敏的暗物质探测器刚刚迎来重大升级。
该探测器名为 大型地下氙（LUX）暗物质实验，在南达科他州地下近一英里处运行，设施为 桑福德地下研究设施。一套新的校准技术显著提升了其灵敏度。
LUX的研究人员正在寻找WIMP（弱相互作用大质量粒子），它是暗物质最主要的候选者之一。
“持续推动我们探测器的性能，对于在搜寻难以捉摸的暗物质粒子过程中至关重要，”布朗大学物理学教授、LUX实验联合发言人Rick Gaitskell表示。“对于低质量暗物质粒子，我们已将LUX的灵敏度提高了20倍以上，从而显著增强了我们搜寻WIMP的能力。”
相关新研究发表于一篇已提交至《物理评论快报》（Physical Review Letters）并发布于ArXiv的论文中。该研究重新审视了LUX在2013年首次为期三个月运行期间收集的数据，有助于排除在其他实验此前曾报告过潜在探测信号的低质量范围内探测到暗物质的可能性。
“我们在该实验首次为期三个月的运行期间寻找过暗物质粒子，但目前正在利用新的校准技术，更准确地确定这些粒子在我们探测器中会如何呈现，”伦敦帝国理工学院的Alastair Currie表示。“这些校准加深了我们对氙对暗物质及本底的响应的理解。这使我们能够以更高的把握，搜寻那些我们此前并不知道会被LUX探测到的粒子。”
LUX的工作原理
暗物质被认为是宇宙中占主导地位的物质形式。科学家确信其存在，因为其引力效应可见于星系的旋转，以及光在穿越宇宙时的弯折方式。
由于WIMP被认为仅极少与其他物质发生相互作用，它们至今尚未被直接探测到。
LUX由三分之一吨液态氙和周围的灵敏光探测器组成。它旨在识别暗物质粒子与探测器内氙原子发生碰撞的极罕见时刻。
碰撞发生时，氙原子会发生反冲并发出微弱闪光，该闪光由LUX的光传感器探测到。探测器位于一英里岩层之下，有助于屏蔽宇宙射线及其他可能干扰暗物质信号的辐射。
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迄今为止，LUX尚未探测到暗物质信号，但其极高的灵敏度使科学家几乎排除了暗物质粒子可能存在的大片质量范围。这些新校准进一步提高了该灵敏度。
一种校准技术使用中子替代暗物质粒子。让中子与氙原子碰撞，使科学家能够量化LUX探测器对反冲过程的响应。
“这就像一场大型台球游戏，中子是白球，氙原子则是彩球和花球，”Gaitskell解释道。“我们可以追踪中子，以推断氙反冲的细节，并比以往任何方法都更好地校准LUX的响应。”
中子与氙原子之间相互作用的性质，被认为与暗物质与氙之间的相互作用非常相似。“只是暗物质粒子的相互作用要弱得多，大约弱一百万的四次方倍，即10的24次方倍，”Gaitskell表示。
‘于是搜寻仍在继续’
中子实验有助于校准探测器对氙原子核相互作用的响应。但LUX科学家也校准了探测器对被撞击原子电子所沉积的少量能量的响应。这是通过向探测器中注入氚化甲烷（一种放射性气体）来实现的。
“在典型的科学运行中，LUX探测到的大部分是本底电子反冲事件，”马里兰大学的Carter Hall表示。“氚化甲烷是产生类似事件的便利来源，我们已在LUX中研究了数十万次其衰变。这让我们有信心，不会将这些常见事件误认为暗物质。”
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另一种放射性气体氪也被注入，以帮助科学家区分环境放射性产生的信号与潜在的暗物质信号。
“氪在液态氙中均匀混合，发出具有已知特定能量的辐射，随后迅速衰变为稳定的非放射性同位素，”加州大学伯克利分校物理学教授、LUX联合发言人、同时也是劳伦斯伯克利国家实验室附属研究人员的Dan McKinsey表示。“通过测量液态氙中各处这些氪事件产生的光和电荷，我们可以对探测器的响应进行平场校正，从而更好地将暗物质事件与天然放射性区分开来。”
LUX的改进与先进计算机模拟相结合，使科学家能够检验暗物质的其他粒子模型，这些模型现在可以从搜寻中被排除。
“于是搜寻仍在继续，”McKinsey表示，“LUX已在桑福德实验室重新进入搜寻模式。最新一轮运行始于2014年末，预计持续至2016年6月。与我们此前2013年的运行相比，本轮运行的曝光量将增加四倍以上。”
“我们非常期待看到，新数据中是否有暗物质粒子显露出来。”
刊发本文并不意味着世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Kevin Stacey是Futurity的作者，同时担任布朗大学物理科学新闻官。
图片：银河系 REUTERS/NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team.
