宇宙中 85%物質神秘消失，科學家追尋真相

宇宙中的大部分物質都不見了。科學家們認爲，宇宙中約 85%的物質是由看不見的暗物質構成的，這種物質只能通過其對周圍環境的引力效應間接探測到。

我和我的同事們——一個由來自世界各地的約 250 名科學家組成的團隊，從事一個名爲LUX-ZEPLIN（或 LZ）的暗物質實驗——報告了我們在長期探索中關於確切瞭解這種暗物質由什麼構成的最新發現。

我們還沒有找到我們認爲構成暗物質的難以捉摸的粒子，但我們已經對它們的性質設定了迄今爲止最嚴格的限制。我們還表明，我們的探測器正如預期那樣工作——未來應該會產生更好的結果。

我們的結果在芝加哥的2024 年特瓦特粒子天體物理學會議和巴西聖保羅的2024 年 LIDINE 會議上進行了報告。一篇期刊論文將提交同行評審。

當天文學家觀察宇宙時，他們看到有證據表明，恆星、氣體和星系的可見物質並不是全部。許多現象，如星系旋轉的速度和大爆炸的殘餘輝光模式，只有在存在大量某種不可見物質——暗物質的情況下才能得到解釋。

那麼，這種暗物質是由什麼構成的？我們目前不知道有任何一種粒子能夠解釋這些天文觀測結果。

有幾十種理論旨在解釋暗物質的觀測結果，從奇異的未知粒子到微小的黑洞，或者對我們的引力理論進行根本性的改變。然而，它們中沒有一個被證明是正確的。

最流行的理論之一表明，暗物質是由所謂的“弱相互作用大質量粒子”（或 WIMPs）組成的。這些相對較重的粒子可能會導致觀察到的引力效應，而且——非常罕見地——與普通物質相互作用。

我們怎麼知道這個理論是否正確？嗯，我們認爲這些粒子一定一直在穿過地球。在大多數情況下，它們會在不與任何東西相互作用的情況下通過，但每隔一段時間，一個 WIMP 可能會直接撞入一個原子的原子核——而這些碰撞正是我們試圖發現的。

LZ 實驗位於美國南達科他州地下約 1500 米的一座舊金礦中。將實驗置於地下深處有助於儘可能減少背景輻射。

該實驗包括一個大型的雙層壁儲罐，裡面裝有 7 噸液氙，這是一種冷卻到 175 開爾文（-98°C）的惰性氣體。

如果一個暗物質粒子撞擊到氙原子核，它應該會發出微小的閃光。我們的探測器有 494 個光傳感器來檢測這些閃光。

當然，暗物質粒子並不是唯一能產生這些閃光的東西。周圍環境甚至儲罐和探測器本身的材料仍然存在一些背景輻射。

弄清楚我們是否看到了暗物質的跡象，很大一部分工作在於將這種背景輻射與任何更奇特的東西區分開來。爲此，我們對有暗物質和沒有暗物質時預期會看到的結果進行了詳細的模擬。

這些模擬一直是我在實驗中大部分工作的重點，這項工作從我 2015 年開始攻讀博士學位時就開始了。我還開發了探測器監測傳感器，並負責地下中央探測器的集成和調試，該探測器於 2021 年開始收集數據。

我們的最新結果沒有顯示出暗物質的跡象。然而，它們讓我們排除了很多可能性。

我們沒有發現質量超過 1.6×10–26千克的粒子的蹤跡，這大約是質子質量的 10 倍。

這些結果是基於探測器 280 天的觀測數據得出的。最終，我們的目標是收集 1000 天的數據——這將使我們能夠尋找更難以捉摸的潛在暗物質粒子。

如果我們幸運的話，我們可能會在新數據中發現暗物質。如果沒有，我們已經開始爲下一代暗物質實驗制定計劃。XLZD（氙 - 勒克斯 - 澤普林 - 達爾文）聯盟的目標是建造一個幾乎大 10 倍的探測器，這將使我們能夠在這些無處不在但難以捉摸的粒子可能隱藏的更多空間中進行搜索。