寻找第4种中微子 证实暗物质理论进入关键时期

原标题：寻找第4种中微子

LHC重启后，科学家希望能产生WIMP。

　    图片来源：

　　Harold Cunningham

　　经历了数十年搜寻和多次失望之后，暗物质理论迎来关键时刻。科学家认为，这种神秘物质占宇宙物质总和的85%。

　　在经历了重大升级之后，欧洲核子研究委员会（CERN）的大型强子对撞机（LHC）预计今年3月重新启动。它被广泛认为是近期能够产生和确定一种名为大质量弱相互作用粒子（WIMP）理论中的粒子的最后机会。另外，一个超高灵敏度的“直接探测”实验——设计捕捉来自天空的自然生成的WIMP流，也将于今年启动。

　　但到目前为止，无论LHC还是“直接探测”实验，都未能发现WIMP。这些失败表明，暗物质是由其他东西组成的。美国加州大学欧文分校研究粒子宇宙的理论学家Kevork Abazajian表示，之前就被认为是冷门候选者的一系列替代选择，现在看起来“没那么奇异了”。

　　无论暗物质是什么，大多数天文学家相信它确实存在。全部普通、“可见”的物质无法产生足够重力，解释星系内部恒星速度以及星系在星系团里的运动。而暗物质将揭开谜团，因为它不会吸收和散射光，而科学家只能通过它对普通物质的万有引力得知其存在。但不同理论提出了哪种相关粒子具有这些特性的不同假设。

　　WIMP则是理论学家的心爱之物。它们相对较重——约在1吉电子伏特（大约为1个质子质量）到1兆兆电子伏特之间，因此也相对较慢或“冷”。这些特性非常切合当下宇宙演化的最好模型，冷暗物质光环是星系和星系团形成的原动力。WIMP还解决了物理学的两个独立分支（粒子物理学和宇宙学）的问题。WIMP的质量及其与其他粒子相互作用的强度将有助于解释为何希格斯玻色子拥有质量。但这些数字还意味着，WIMP可能是在宇宙早期以恰好合适的速率被合成的，这也被称为“WIMP奇迹”。

　　尽管位于物理学家急需的清单上，WIMP仍然保持着神秘。2013年，LHC关停维护，其WIMP搜寻计划落空。而且南达科他州桑福德地下研究设施大型地下氙（LUX）探测器实验最敏感的“直接探测”实验，在2013年进行的首次主要运转中也未能发现WIMP。

　　今年，WIMP或将现身。已提高效率的LHC将结合13兆兆电子伏特的能量撞碎质子，其此前运行的最高能量为8兆兆电子伏特。这样一来，额外的能量将产生之前无法产生的粒子。无独有偶，今年夏天，一个名为XENON1T实验的WIMP探测器——位于意大利中部格兰萨索地下，也计划启动。XENON1T项目发言人、美国哥伦比亚大学粒子物理学家Rafael Lang表示，该设备的敏感度将比LUX大50倍。

　　但美国伊利诺伊州费米国家加速器实验室宇宙学家Scott Dodelson提到，一连串令人失望的失败意味着一些理论学家已经开始从WIMP领域撤退，并开始寻找替代方案。

　　其中一个可能的“候选者”是中微子。这种粒子能与其他种类的物质产生弱相互作用，这正是暗物质的特性之一。三种目前已知的中微子特性与暗物质并不完全相符。但假设的第四种中微子可能是合格的“候选者”。这种中微子名为“惰性”中微子，因为与其他类型中微子相比，它产生的相互作用更加微弱。

　　2014年12月，欧洲空间局的普朗克卫星绘制了来自早期宇宙的古老辐射图，但排除了拥有与其他中微子一样小质量的惰性中微子的存在。另外，中国大亚湾中微子实验也得出了相同的结论。

　　但回溯到2014年2月，美国马萨诸塞州哈佛-史密斯天体物理学中心天体物理学家Esra Blbl及其同事报告了一种来源于73星系团的神秘光子信号。这种光子的波长与惰性中微子的衰变相一致，约为7千电子伏特，比普通中微子重约3万倍。

　　他们的结论发表于arXiv资料库中，提出了暗物质可能由这种信号产生的一系列建议机制。与WIMP相比，超重中微子仍将很轻。根据传统理论，这种性质将让它们“温暖”，但却与宇宙进化模型不能很好地统一。

　　不过，Abazajian表示，早期宇宙将产生冷重中微子，而这些粒子将与目前最好的星系形成模型相匹配，在某些情况下甚至优于WIMP。“WIMP奇迹拥有理论上的精密。”Abazajian说。但他还补充道，一个重中微子能解决与WIMP同样的问题。

Dodelson则表示，重中微子证据“将带来一场革命”。但到目前为止，许多研究小组都在试图重复Blbl得出的结论，并已取得各种成功。

　　另一个WIMP的替代选择是轴子，上世纪70年代，科学家提出了该粒子相关假设。在一个磁场中，轴子能自发地变成光子，这提供了探测到它们的方法。尽管许多实验以失败告终，但以华盛顿大学Leslie Rosenberg为首的物理学家正在升级轴子暗物质实验的敏感性。该研究团队表示，这将有望揭开轴子的神秘面纱。

　　但Rosenberg并没有放弃WIMP。“仍然对WIMP暗物质神经过敏。”他说，但“在你变得过度紧张之前，LHC将获得的2015年数据还需要探索”。（张章）