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物理學(xué)家聲明DAMA發(fā)現(xiàn)支持暗物質(zhì)存在的新計(jì)算方式

研究工作仍在繼續(xù)，探究新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)間的相互作用能否解釋DAMA新發(fā)現(xiàn)的信號(hào)調(diào)制。

DAMA團(tuán)隊(duì)發(fā)表的聲明頗具爭(zhēng)議，但據(jù)歐美國家的物理學(xué)家稱，他們?cè)谝獯罄叵聦?shí)驗(yàn)室所探測(cè)到的暗物質(zhì)或許確實(shí)存在。新研究表明這次探測(cè)發(fā)現(xiàn)很顯然與其他無效實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及間接的天體物理學(xué)證據(jù)相吻合。研究結(jié)論顯示暗物質(zhì)并不是通過四大基本力與普通物質(zhì)相互作用的，而是以軸粒子為媒介通過第五種力進(jìn)行作用的。

迄今為止，暗物質(zhì)還是未知的存在，雖然它并不釋放電磁輻射，但眾多觀測(cè)發(fā)現(xiàn)表明暗物質(zhì)至少占宇宙總物質(zhì)的80%。DAMA,由來自意大利與中國的物理學(xué)家通力合作，稱在位于羅馬東部的大薩索山地下實(shí)驗(yàn)室中，直接檢測(cè)到了碘化鈉探測(cè)器中的暗物質(zhì)。這份聲明的根據(jù)是，當(dāng)暗物質(zhì)與原子核發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的光影的周期性變化。這種變化在7月份到達(dá)峰值并在12月份降至最小值，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這樣的變化正應(yīng)證了他們所期待的結(jié)論，地球通過暗物質(zhì)組成的“光環(huán)”圍繞銀河系旋轉(zhuǎn)。

是新發(fā)現(xiàn)還是受背景效應(yīng)影響？

經(jīng)過多年的努力，DAMA收集了1.33噸的數(shù)據(jù)，數(shù)量之大足以讓DAMA確信這一結(jié)果并非統(tǒng)計(jì)失誤。如今研究團(tuán)隊(duì)公布了置信度達(dá)9.3σ的數(shù)據(jù)，足足比粒子物理學(xué)要求的數(shù)據(jù)高了5σ。假設(shè)DAMA的聲明成立，問題在于雖然不少同行競(jìng)爭(zhēng)研究團(tuán)隊(duì)使用的探測(cè)器不同，但儀器敏感度已達(dá)到要求，所以他們認(rèn)為自己應(yīng)當(dāng)有探測(cè)暗物質(zhì)的權(quán)利，然而事實(shí)卻截然相反。DAMA已經(jīng)探測(cè)到了周年信號(hào)調(diào)制，但不少物理學(xué)家仍對(duì)此有些許疑惑，并與研究團(tuán)隊(duì)所闡述的結(jié)果產(chǎn)生爭(zhēng)論。一些人認(rèn)為這一信號(hào)調(diào)制可能只是認(rèn)為確定的背景現(xiàn)象。

來自洛杉磯的加州大學(xué)的Eugenio Del Nobile則指出，這樣的結(jié)果排除在外是根據(jù)探測(cè)器內(nèi)發(fā)生多種相互作用的相關(guān)理論假設(shè)。Del Nobile和他的兩位同事，一位是來自阿姆斯特丹大學(xué)的Chiara Arina,另一位是巴黎天體物理研究所的Paolo Panci,在最近的研究工作中發(fā)現(xiàn)了力量中介粒子是如何調(diào)和多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。

與標(biāo)準(zhǔn)模型中自旋為1的攜帶力量的粒子不同，力量中介粒子自旋為0，就像著名的希格斯玻色子，也被稱做“標(biāo)量”粒子。但與希格斯玻色子不同的是，當(dāng)力量中介粒子的空間坐標(biāo)倒置，新粒子的量子狀態(tài)改變，因此它獲得了稱號(hào)“偽標(biāo)量”，這與假定軸子，暗物質(zhì)的又一有力爭(zhēng)奪者也很相似。

相互作用下產(chǎn)生的新自旋方式

探測(cè)粒子核與探測(cè)器內(nèi)暗物質(zhì)的每一次碰撞，由于這種具有不對(duì)稱性的自旋粒子變得敏感。質(zhì)子與中子自旋相反，兩兩結(jié)合，形成能量最小化的原子核，由此而產(chǎn)生了相互作用，最多會(huì)形成單個(gè)質(zhì)子或中子。物理學(xué)家們認(rèn)為發(fā)生在探測(cè)器內(nèi)的相互作用就是以這種“自旋獨(dú)立”的方式進(jìn)行的。由于所有質(zhì)子和中都會(huì)參與這一相互作用，所以作用效果較為明顯，這也是為什么不少物理學(xué)家使用像氙這樣的重粒子作為探測(cè)靶向。

Del Nobile和他的同事計(jì)算了偽標(biāo)量中介粒子帶來的影響，他們認(rèn)為在所有夸克種類中表現(xiàn)均化，夸克是質(zhì)子與中子的基本組成。他們解釋說暗物質(zhì)與質(zhì)子產(chǎn)生的作用要比與中子產(chǎn)生的作用強(qiáng)很多。正如他們所指出，DAMA更適合做暗物質(zhì)探測(cè)，因?yàn)槠涮綔y(cè)器的鈉原子核與碘原子核中含有奇中子，其他的探測(cè)器則是使用含有奇中子的氙原子或鍺原子，這要比DAMA所使用的探測(cè)器敏感度更低一些，所以DAMA得到了較為強(qiáng)烈的周年信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)表示偽標(biāo)量作用能夠從湮滅暗物質(zhì)的角度解釋銀河中心的超強(qiáng)伽瑪射線。Del Nobile 和他的團(tuán)隊(duì)的分析結(jié)果差一點(diǎn)就與DAMA的暗物質(zhì)探測(cè)結(jié)果相近，他們注意到在研究中銀河暗物質(zhì)光環(huán)的所有物質(zhì)存在簡化現(xiàn)象.Del Nobile表示目前所有競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的職責(zé)所在就是“明確假設(shè)”，將DAMA的研究結(jié)果排除在外，另外偽標(biāo)量模型或許可以檢測(cè)出粒子對(duì)撞機(jī)中產(chǎn)生的K或B介子。

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不必要的復(fù)雜化

芝加哥大學(xué)的Juan Collar認(rèn)為Del Nobile和他的研究團(tuán)隊(duì)或許做了很多不必要的工作。那么DAMA的研究成果有沒有揭開暗物質(zhì)的神秘面紗呢？Collar通過觀察美國CoGeNT暗物質(zhì)探測(cè)器的統(tǒng)計(jì)出的有限的周年調(diào)制數(shù)據(jù)，提出對(duì)DAMA暫時(shí)的支持，他說如果暗物質(zhì)是與電子撞擊而不是原子核，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間出現(xiàn)的明顯的矛盾或許會(huì)得到解決，他還說到：“看到這些作者將自己限制在原子核反沖作用的框架下還能找到一席之地掀起波動(dòng)，我覺得這很有意思?！?/p>

該項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）

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作者: Edwin Cartlidge

FY: 夏月星夕

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