暗物質和渺子已被排除在DAMA信號源之外

2020-09-09 天文在線

DAMA研究中所探測到的信號並非源自暗物質和渺子，而更有可能是人為因素造成

圖解：宇宙中含有有大量（約23%）暗物質，唯人類對暗物質所知甚少。圖源：維基百科

義大利DAMA1小組本來已經極具爭議性和不確定性的暗物質觀測，可能有一個超乎他們預期的信號源。英國物理學家的研究指出，DAMA探測到的信號並非源自暗物質或背景輻射，而更可能是DAMA探測器數據採集裝置所帶來的誤差。

圖解：義大利的大薩索國家實驗室。圖源：原文

圖解：DAMA-LIBRA實驗2010年的照片。圖源：The DAMA Project

從1998年開始，研究員在 DAMA-LIBRA2實驗（位於義大利地底的大薩索國家實驗室）中暗物質探測器探測到的信號，發現了周年變化。有些物理學家相信，這個波動是地球經過銀河系暗暈3的結果，而這是人類首次直接偵測到暗物質。過去十七年，這個研究更進一步收集到的數據給出了9.3σ的統計顯著性──遠多於平常粒子物理學上象徵新發現的5σ。可是，除了美國的CoGeNT暗物質實驗，全世界沒有一個暗物質研究同樣探測到類似的信號。這令大家對首次直接檢測到暗物質一事存疑。

圖解：一些科學家嘗試以地球經過銀河系暗暈解釋DAMA信號的變化（因太陽圍繞銀河系中心旋轉、而地球圍繞太陽公轉，夏季時，地球會以更高的速度經過銀河系暗暈，從而接觸到更多暗物質，令DAMA信號達到峰值；冬季則相反）。圖源：Quanta Magazine

是渺子從中作梗？

於2014年，身處法國巴黎天體物理研究所的英國杜倫大學物理學家喬納森·戴維斯研發出一個可以解釋上述信號的新模型。該模型表明，分散在探測器內的中子可以輕易模仿出信號的周年變化。根據戴維斯，當太陽中微子4和大氣渺子5散射在遮蓋實驗裝置的保護層和巖石內，就會產生這些中子。他指出，宇宙射線在大氣衰變時產生渺子、以及太陽產生中微子的頻率都會在一年間浮動，並分別在6月21日和1月4日左右達到峰值。因此，它們產生中子的頻率亦會每年浮動，並在上述兩者之間（約五月末）達到峰值，亦與DAMA的起落吻合。事實上，渺子可以模仿出DAMA信號不是什麼新鮮事。但因為渺子的變化與DAMA的數據有時間上的落差，這個說法也就作罷。戴維斯的模型添加了太陽中微子這項因素，就成功解決了這個問題。

圖解：大薩索國家實驗室附近的環境。圖源：維基百科

現時，英國雪菲爾大學的維塔利·庫德裡亞夫採夫和喬爾·克林格首次在DAMA建立出渺子及其產生的中子的完整3D模型，其中納入了大薩索的山勢和探測器的結構（包括所有保護層）等因素。有多年研究暗物質經驗及會參與未來工程設計（如勒克斯-澤普林實驗）的庫德裡亞夫採夫告知，他和克林格有幸可以為DAMA碘化鈉探測器做一個有關背景輻射的全面評估。這讓他們明確知道先前觀察到的事件的調製率是否由任何背景輻射引起。那些研究員說，他們的調查結果顯示，由渺子引起的中子通量6若要模仿DAMA的調變7，還是低了幾個數量級。

最低的影響

庫德裡亞夫採夫說，雖然DAMA研究已經在他們的論文中預測了不同背景因素對數據的影響，但至今仍未做出一個由渺子引起的完整模型。戴維斯2014年的文章亦只提出了一個簡陋的模型，於十一月時已被另一班研究員8駁回。他們認為，渺子和中微子產生中子而帶來的影響，遠比戴維斯的估算和DAMA偵測到的信號低。

庫德裡亞夫採夫和克林格的研究結果亦與這個說法重合。綜合以上兩個結果，這「顯示了我們很難建立任何模型去解釋DAMA信號。這個結論是從分析DAMA測量到事件的能譜，以及計算背景輻射而來。」庫德裡亞夫採夫說。「測量到的能譜理所當然地與背景輻射的模型一致。那裡幾乎沒有任何空間容納暗物質、背景或者測量工具的誤差等等的其他信號。」

出了名複雜

戴維斯已經回應了這些言論。他說，雖然庫德裡亞夫採夫和克林格用來模擬中子從保護層和巖石產生、併到達探測器的軟體包被大家廣泛使用，但要做出這種模型是真的「出了名複雜」。戴維斯指出，現有能解釋DAMA的暗物質模型大多複雜又不自然，因此，使用普通模型顯然是他們的唯一選擇。 「我個人認為，人們使用這些模型時並不夠創意。他們不清楚中子實際上是如何與DAMA探測器互動；雖然，這是一個非常有爭議性的問題，也有些人反對。在這些模擬中，中子只會分散在探測器內，但現實中它們可能會有如中子俘獲9（然後釋放光子）等更進一步的互動。有些人曾經提出，這個反應在很大程度上影響中子事件的頻率。事實上，很多事都比看起來難以理解。」

戴維斯亦說，他論文的其中一個重點是「因為DAMA探測器不能分辨散射事件是由什麼引起，我們其實不知道那些事件是什麼。我提出用中子做一個簡單可行的模型以作為起點，但現實中會有更多可能性。」他指出中子可能是被俘獲而不單單是分散在探測器內，或者可能有另一個與溫度相關的信號源、甚至是有原子核以外的東西與電子散布在DAMA探測器內。

基本的要求

庫德裡亞夫採夫說「我們不認為只討論背景源調製的周期或相位、而不討論它的振幅，會有什麼得著。那些調製信號或者有多個來源，而很明顯，這是DAMA所使用的技術的一大缺點。」他解釋，目前暗物質研究中最前沿的實驗「都依賴潛在信號和背景之間有力的區分。DAMA沒有這個選擇，並需要測量總事件發生率及其時間變化。然而，所有自稱可以解釋DAMA信號的模型，應該與測得信號的振幅一致。」除此之外，庫德裡亞夫採夫和克林格還指出了該模型應該要符合的其他要求，例如：一、與DAMA事件發生率相比，誤差的幅度必須非常小；二、誤差的調幅不能比它的平均振幅少太多；三、調製的周期和相位必須同時預測得到。

庫德裡亞夫採夫表示「尤其是，任何與預測背景輻射重合的信號，應該要檢測到所有能量的頻率。這一刻，我們沒有看到任何一個符合以上所有的條件的相關模型。你要記住，我們其實對輻射和渺子了解挺多… 明顯比暗物質的多…所以如果我們完全相信DAMA對於他們完全控制溫度等聲明，要解釋DAMA信號是一件非常困難的事。」

雖然庫德裡亞夫採夫和克林格沒有為DAMA信號給出一個可行的解釋，他們依然清楚知道那些信號並非源於暗物質，因為其他實驗已經排除了這個可能性。暗物質的信號亦不太可能與測量到的吻合。 「我們相信，不論是暗物質還是背景，我們很難以任何模型解釋DAMA信號。測量到的事件發生率留下不多空間給背景輻射和那些信號。」庫德裡亞夫採夫補充，它可能是「由DAMA分析數據時排除了光電倍增管噪音而導致的人為影響。如果把噪音跟真實事件分開的誤差會隨時間改變，在某些時候，更多事件可能被接納為真實事件，令事件發生率中出現調變。當然，這只是一個猜測。我們沒有證據證明數據分析時出現了這事。」戴維斯則相信，我們明白DAMA調變的最大希望在於其他實驗，例如即將開始、並希望複製DAMA的DM-Ice實驗10。他說，「本質上，我們可以模擬任何事物，只是我們還需要更多數據。」

圖解：耶魯大學的DM-Ice數據採集系統。圖源：IceCube Neutrino Observatory

這項研究的預印本可以在arXiv伺服器找到。

注釋

    1. The DAMA Project：義大利科學家對於暗物質的一個共同研究工程，開展於上世紀末
    2. DAMA-LIBRA：一個使用閃爍體探測器尋找大質量弱相互作用粒子的實驗
    3. 銀河系暗暈：銀河中心算起100,000至300,000光年的假想區域
    4. 太陽中微子：電中性的基本粒子；太陽核聚變的產物
    5. 大氣渺子：帶有一個單位負電荷的基本粒子；宇宙射線在地球大氣衰變的產物
    6. 中子通量：一個單位時間裡通過一個單位面積的中子數
    7. 調變/調製；以調製信號改變周期性載波某些屬性並加入信息的技術，用於電子通信領域
    8. 包括P. S. Barbeau、 J. I. Collar、Yu. Efremenko和 K. Scholberg四人
    9. 中子俘獲：原子核與中子撞擊後形成重核的核反應
    10. DM-Ice：耶魯大學在南半球以碘化鈉直接探測暗物質的實驗

作者: Tushna Commissariat

FY: Rochelle Leung

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