暗物质的直接证据可能隐藏于低能量阈值区域 

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即使是探寻了几十年，科学家对暗物质粒子的探索仍没有取得突破。暗物质存在的证据几乎不可置疑，但目前为止没有人知晓它由什么构成。数十年来，物理学家都期望着暗物质最终会被证实是“重”的，即由所谓的“大质量弱相互作用重粒子”(WIMPs)构成，从而能在实验室中被直接探测到。

但是，由于仔细搜索多年却没有发现“大质量弱相互作用重粒子”(WIMPs)的明确迹象，物理学家正扩展他们搜索的范围。随着新的和更为精确的试验让数据收集能力大为提升，研究者正在重新评估关于比光子轻的暗物质粒子可能出现在探测器中的理论。今年早些时候发表于论文预印本服务器arXiv.org的两篇文章体现了这种转变。它们率先提出了探测器可能发现暗物质产生的表面等离激元（plasmon）——在某种材料中共同移动的电子聚合体。

第一份研究由分别来自位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermilab）、伊利诺伊大学香槟分校和芝加哥大学。他们提出低质量的暗物质可以产生等离激元，并宣称其可能已经被一些探测器探测到了。受到那篇论文的启发，加州大学圣地亚哥分校的两位物理学家，Tongyan Lin和 Jonathan Kozaczuk计算出了低质量暗物质在一个探测器中产生表面等离激元的可能性。

“我们都喊出来了：‘plasmon，plasmon，plasmon！’因为那是一个有说服力的现存现象。我们认为它可能有助于解读暗物质相关的试验。” Gordan Krnjaic说道，他是费米实验室和芝加哥大学卡夫利宇宙物理研究所的一位暗物质理论学家，同时他也是第一份研究的合著作者。粒子物理学家和天体物理学家近十年来一直在推测如何探测低质量暗物质。但是他们先前并没有考虑到以表面等离激元（plasmon）为证据。它更为化学家和材料科学家所熟悉。

“我认为这很棒。”耶路撒冷希伯来大学的理论物理学家Yonit Hochberg说道，他给Krnjaic的团队提出了反馈但并没有直接参与任何一项研究。“我认为，有表面等离激元可能产生影响，它们目前却没有被考虑在内，这是一个值得进一步研究的极为重要的一点。”

其他研究者则对第一篇论文更多地抱怀疑的态度。那份研究“对于我而言一点说服力也没有”，Kathryn Zurek说道，他是加州理工的一位暗物质理论学家，同时并没有直接参与任何一项研究，“我就是没看出来这能行。”

第一篇论文的合著作者，费米实验室和卡夫利宇宙物理研究所的暗物质试验学家Noah Kurinsky从容面对批评和质疑。“我们挑动他们来指正我们，我认为这对该领域是十分健康的。而这正是他们应该着力去做的。”他说道。

寻根问底

对一个不可见、几乎不留踪迹的物质的搜寻通常是这样进行的：为了探测到暗物质粒子，物理学家拿到一种物质，把它放到地底深处的某个地方，把它和仪器连上，盼望着能发现一些信号。具体而言，他们希望暗物质会击中探测器，产生仪器能观测到的电子、光子，乃至热。

暗物质探测的理论可以追溯到一篇1985年的论文，该文章讨论了如何对一个中微子探测器稍加调整以寻找暗物质粒子。该论文提出，一个外来的暗物质粒子可能会击中探测器中原子的核子，类似于一个台球撞上了另一个。碰撞会转移暗物质的动量，重击核子以至于它释放出一个电子或是光子。

在能量高的条件下，这没有问题。探测器中的原子可以认为是自由粒子，独立而不相互联结。但是，在能量低的条件下，情况就不一样了。

“你的探测器不是由自由粒子构成的。” 伊利罗伊大学香槟分校的一位暗物质理论学家Yonatan (Yoni) Kahn说道，他也是第一篇论文的合著作者。“它们由某种东西组成。而如果你想要知道你的探测器实际上是如何工作的，你就需要理解这种东西。”

在探测器内部一个台球，低质量的暗物质粒子仍然会转移动量。但是，它会导致原子核振动，而不是像打散一样。换言之，它会更像乒乓球一样运动。

“随着暗物以至于质的质量变小，将会有其他原本微弱的效应发挥作用。”Lin说道。这些效应包括物理学家所说的“集体激发”。当几个粒子一同运动的时候，它们可以被描述成一个单一的实体，正如声波由许多震动的原子组成一样。

当一组电子一同经历这种运动的时候，将会产生表面等离激元暗物质的直接证据可能隐藏于低能量阈值区域。一组原子核一同振动的时候，它们的集体激发被称为声子。这些现象通常被研究暗物质的天体物理学家和高能物理学家认为是无关紧要的。

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但正如已故的诺奖得主、物理学家威利普·安德森曾经打趣说的，“多即不同”。他意在指出在不同的尺度将会产生新的效应。比如说，一滴水和一个单一的水分子遵从不同的定律。“我觉得那话十分有道理。” Kahn说道。

两篇论文对等离激元产生的研究方法稍有不同。然而，他们得出了相同的结论——我们确实应该去寻找这样的信号。特别是根据Lin 和 Kozaczuk的计算，低质量暗物质产生表面等离激元的几率为产生电子或是光子几率的万分之一。这个数字听起来好像不太频繁，但这对追求精确的物理学家来说已经足够了。

暗夜一击

直到最近，最灵敏的暗物质探测器依赖于大量的液化氙。然而，在过去几年，新一代更小型的固体探测器闪亮登场。以如EDELWEISS III, SENSEI 和CRESST-III等缩写闻名，它们由锗、硅、白钨等材料构成，能探测到即使只产生了一个电子的暗物质碰撞。

但是所有的探测器，无论它们被多么好地屏蔽起来，都会受到如背景辐射等来源的干扰。所以，在过去的几年，当操作数个暗物质探测器的科学家在低能量区发现多于预期的信号时，他们并没有太在意。

Kurinsky和他同事的论文率先提出了不同暗物质试验中低能量区信号“过量”情况的惊人相似性。好几次的过量情况似乎都集中在大概10赫兹每千克探测器质量的区域。然而，探测器由不同材料组成，位于不同地方，且在不同的条件下运作。所以，很难对这种“不谋而合”给出统一的解释，除非——这是因为暗物质的作用。对此的讨论引起了其他物理学家的关注，其中包括Lin。她迅速投入了表面等离激元的计算。但是即使她自己也对实验的发现源于暗物质产生表面等离激元抱有疑虑。“我并不是说这不可能是暗物质。”她说道，“但目前为止这并没有说服我。”

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随着新一代暗物质探测器带来更多的数据，这一假说将得到检验。但是探测器是否发现的是暗物质的踪迹可能已经无关紧要了。该领域内的研究者现在正思考和讨论表面等离激元以及其他低质量暗物质可能的行为。对精确阈值区域的探索正如火如荼地进行。

“我们猜错的情况并不唯一。” Krnjaic说道。“它们也都很让人振奋。”

作者：Daniel Garisto 是报道物理及其他自然科学前沿的自由科学记者。他的文章刊登于Nature News, Science News, Undark以及其他媒体。

翻译：莫泽鑫

审校： 郭晓

引进来源：科学美国人