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DAMA研究中所探測(cè)到的信號(hào)并非源自暗物質(zhì)和渺子，而更有可能是人為因素造成

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圖解：宇宙中含有有大量（約23%）暗物質(zhì)，唯人類(lèi)對(duì)暗物質(zhì)所知甚少。圖源：維基百科

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意大利DAMA1小組本來(lái)已經(jīng)極具爭(zhēng)議性和不確定性的暗物質(zhì)觀(guān)測(cè)，可能有一個(gè)超乎他們預(yù)期的信號(hào)源。英國(guó)物理學(xué)家的研究指出，DAMA探測(cè)到的信號(hào)并非源自暗物質(zhì)或背景輻射，而更可能是DAMA探測(cè)器數(shù)據(jù)采集裝置所帶來(lái)的誤差。

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圖解：意大利的大薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。圖源：原文

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圖解：DAMA-LIBRA實(shí)驗(yàn)2010年的照片。圖源：The DAMA Project

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從1998年開(kāi)始，研究員在 DAMA-LIBRA2實(shí)驗(yàn)（位于意大利地底的大薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）中暗物質(zhì)探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)了周年變化。有些物理學(xué)家相信，這個(gè)波動(dòng)是地球經(jīng)過(guò)銀河系暗暈3的結(jié)果，而這是人類(lèi)首次直接偵測(cè)到暗物質(zhì)。過(guò)去十七年，這個(gè)研究更進(jìn)一步收集到的數(shù)據(jù)給出了9.3σ的統(tǒng)計(jì)顯著性──遠(yuǎn)多于平常粒子物理學(xué)上象征新發(fā)現(xiàn)的5σ?？墒?，除了美國(guó)的CoGeNT暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，全世界沒(méi)有一個(gè)暗物質(zhì)研究同樣探測(cè)到類(lèi)似的信號(hào)。這令大家對(duì)首次直接檢測(cè)到暗物質(zhì)一事存疑。

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圖解：一些科學(xué)家嘗試以地球經(jīng)過(guò)銀河系暗暈解釋DAMA信號(hào)的變化（因太陽(yáng)圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)、而地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，夏季時(shí)，地球會(huì)以更高的速度經(jīng)過(guò)銀河系暗暈，從而接觸到更多暗物質(zhì)，令DAMA信號(hào)達(dá)到峰值；冬季則相反）。圖源：Quanta Magazine

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是渺子從中作梗？

于2014年，身處法國(guó)巴黎天體物理研究所的英國(guó)杜倫大學(xué)物理學(xué)家喬納森·戴維斯研發(fā)出一個(gè)可以解釋上述信號(hào)的新模型。該模型表明，分散在探測(cè)器內(nèi)的中子可以輕易模仿出信號(hào)的周年變化。根據(jù)戴維斯，當(dāng)太陽(yáng)中微子4和大氣渺子5散射在遮蓋實(shí)驗(yàn)裝置的保護(hù)層和巖石內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生這些中子。他指出，宇宙射線(xiàn)在大氣衰變時(shí)產(chǎn)生渺子、以及太陽(yáng)產(chǎn)生中微子的頻率都會(huì)在一年間浮動(dòng)，并分別在6月21日和1月4日左右達(dá)到峰值。因此，它們產(chǎn)生中子的頻率亦會(huì)每年浮動(dòng)，并在上述兩者之間（約五月末）達(dá)到峰值，亦與DAMA的起落吻合。事實(shí)上，渺子可以模仿出DAMA信號(hào)不是什么新鮮事。但因?yàn)槊熳拥淖兓cDAMA的數(shù)據(jù)有時(shí)間上的落差，這個(gè)說(shuō)法也就作罷。戴維斯的模型添加了太陽(yáng)中微子這項(xiàng)因素，就成功解決了這個(gè)問(wèn)題。

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圖解：大薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室附近的環(huán)境。圖源：維基百科

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現(xiàn)時(shí)，英國(guó)雪菲爾大學(xué)的維塔利·庫(kù)德里亞夫采夫和喬爾·克林格首次在DAMA建立出渺子及其產(chǎn)生的中子的完整3D模型，其中納入了大薩索的山勢(shì)和探測(cè)器的結(jié)構(gòu)（包括所有保護(hù)層）等因素。有多年研究暗物質(zhì)經(jīng)驗(yàn)及會(huì)參與未來(lái)工程設(shè)計(jì)（如勒克斯-澤普林實(shí)驗(yàn)）的庫(kù)德里亞夫采夫告知，他和克林格有幸可以為DAMA碘化鈉探測(cè)器做一個(gè)有關(guān)背景輻射的全面評(píng)估。這讓他們明確知道先前觀(guān)察到的事件的調(diào)制率是否由任何背景輻射引起。那些研究員說(shuō)，他們的調(diào)查結(jié)果顯示，由渺子引起的中子通量6若要模仿DAMA的調(diào)變7，還是低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

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最低的影響

庫(kù)德里亞夫采夫說(shuō)，雖然DAMA研究已經(jīng)在他們的論文中預(yù)測(cè)了不同背景因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響，但至今仍未做出一個(gè)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(gè)簡(jiǎn)陋的模型，于十一月時(shí)已被另一班研究員8駁回。他們認(rèn)為，渺子和中微子產(chǎn)生中子而帶來(lái)的影響，遠(yuǎn)比戴維斯的估算和DAMA偵測(cè)到的信號(hào)低。

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庫(kù)德里亞夫采夫和克林格的研究結(jié)果亦與這個(gè)說(shuō)法重合。綜合以上兩個(gè)結(jié)果，這「顯示了我們很難建立任何模型去解釋DAMA信號(hào)。這個(gè)結(jié)論是從分析DAMA測(cè)量到事件的能譜，以及計(jì)算背景輻射而來(lái)?！箮?kù)德里亞夫采夫說(shuō)?！笢y(cè)量到的能譜理所當(dāng)然地與背景輻射的模型一致。那里幾乎沒(méi)有任何空間容納暗物質(zhì)、背景或者測(cè)量工具的誤差等等的其他信號(hào)?！?/span>

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出了名復(fù)雜

戴維斯已經(jīng)回應(yīng)了這些言論。他說(shuō)，雖然庫(kù)德里亞夫采夫和克林格用來(lái)模擬中子從保護(hù)層和巖石產(chǎn)生、并到達(dá)探測(cè)器的軟件包被大家廣泛使用，但要做出這種模型是真的「出了名復(fù)雜」。戴維斯指出，現(xiàn)有能解釋DAMA的暗物質(zhì)模型大多復(fù)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(gè)人認(rèn)為，人們使用這些模型時(shí)并不夠創(chuàng)意。他們不清楚中子實(shí)際上是如何與DAMA探測(cè)器互動(dòng)；雖然，這是一個(gè)非常有爭(zhēng)議性的問(wèn)題，也有些人反對(duì)。在這些模擬中，中子只會(huì)分散在探測(cè)器內(nèi)，但現(xiàn)實(shí)中它們可能會(huì)有如中子俘獲9（然后釋放光子）等更進(jìn)一步的互動(dòng)。有些人曾經(jīng)提出，這個(gè)反應(yīng)在很大程度上影響中子事件的頻率。事實(shí)上，很多事都比看起來(lái)難以理解?！?/span>

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戴維斯亦說(shuō)，他論文的其中一個(gè)重點(diǎn)是「因?yàn)镈AMA探測(cè)器不能分辨散射事件是由什么引起，我們其實(shí)不知道那些事件是什么。我提出用中子做一個(gè)簡(jiǎn)單可行的模型以作為起點(diǎn)，但現(xiàn)實(shí)中會(huì)有更多可能性?！顾赋鲋凶涌赡苁潜环@而不單單是分散在探測(cè)器內(nèi)，或者可能有另一個(gè)與溫度相關(guān)的信號(hào)源、甚至是有原子核以外的東西與電子散布在DAMA探測(cè)器內(nèi)。

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基本的要求

庫(kù)德里亞夫采夫說(shuō)「我們不認(rèn)為只討論背景源調(diào)制的周期或相位、而不討論它的振幅，會(huì)有什么得著。那些調(diào)制信號(hào)或者有多個(gè)來(lái)源，而很明顯，這是DAMA所使用的技術(shù)的一大缺點(diǎn)?！顾忉?zhuān)壳鞍滴镔|(zhì)研究中最前沿的實(shí)驗(yàn)「都依賴(lài)潛在信號(hào)和背景之間有力的區(qū)分。DAMA沒(méi)有這個(gè)選擇，并需要測(cè)量總事件發(fā)生率及其時(shí)間變化。然而，所有自稱(chēng)可以解釋DAMA信號(hào)的模型，應(yīng)該與測(cè)得信號(hào)的振幅一致?！钩酥?，庫(kù)德里亞夫采夫和克林格還指出了該模型應(yīng)該要符合的其他要求，例如：一、與DAMA事件發(fā)生率相比，誤差的幅度必須非常??；二、誤差的調(diào)幅不能比它的平均振幅少太多；三、調(diào)制的周期和相位必須同時(shí)預(yù)測(cè)得到。

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庫(kù)德里亞夫采夫表示「尤其是，任何與預(yù)測(cè)背景輻射重合的信號(hào)，應(yīng)該要檢測(cè)到所有能量的頻率。這一刻，我們沒(méi)有看到任何一個(gè)符合以上所有的條件的相關(guān)模型。你要記住，我們其實(shí)對(duì)輻射和渺子了解挺多… 明顯比暗物質(zhì)的多…所以如果我們完全相信DAMA對(duì)于他們完全控制溫度等聲明，要解釋DAMA信號(hào)是一件非常困難的事?！?/span>

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雖然庫(kù)德里亞夫采夫和克林格沒(méi)有為DAMA信號(hào)給出一個(gè)可行的解釋?zhuān)麄円廊磺宄滥切┬盘?hào)并非源于暗物質(zhì)，因?yàn)槠渌麑?shí)驗(yàn)已經(jīng)排除了這個(gè)可能性。暗物質(zhì)的信號(hào)亦不太可能與測(cè)量到的吻合。 「我們相信，不論是暗物質(zhì)還是背景，我們很難以任何模型解釋DAMA信號(hào)。測(cè)量到的事件發(fā)生率留下不多空間給背景輻射和那些信號(hào)。」庫(kù)德里亞夫采夫補(bǔ)充，它可能是「由DAMA分析數(shù)據(jù)時(shí)排除了光電倍增管噪音而導(dǎo)致的人為影響。如果把噪音跟真實(shí)事件分開(kāi)的誤差會(huì)隨時(shí)間改變，在某些時(shí)候，更多事件可能被接納為真實(shí)事件，令事件發(fā)生率中出現(xiàn)調(diào)變。當(dāng)然，這只是一個(gè)猜測(cè)。我們沒(méi)有證據(jù)證明數(shù)據(jù)分析時(shí)出現(xiàn)了這事?！勾骶S斯則相信，我們明白DAMA調(diào)變的最大希望在于其他實(shí)驗(yàn)，例如即將開(kāi)始、并希望復(fù)制DAMA的DM-Ice實(shí)驗(yàn)10。他說(shuō)，「本質(zhì)上，我們可以模擬任何事物，只是我們還需要更多數(shù)據(jù)?！?/span>

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圖解：耶魯大學(xué)的DM-Ice數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖源：IceCube Neutrino Observatory

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這項(xiàng)研究的預(yù)印本可以在arXiv伺服器找到。

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注釋

1. The DAMA Project：意大利科學(xué)家對(duì)于暗物質(zhì)的一個(gè)共同研究工程，開(kāi)展于上世紀(jì)末

2. DAMA-LIBRA：一個(gè)使用閃爍體探測(cè)器尋找大質(zhì)量弱相互作用粒子的實(shí)驗(yàn)

3. 銀河系暗暈：銀河中心算起100,000至300,000光年的假想?yún)^(qū)域

4. 太陽(yáng)中微子：電中性的基本粒子；太陽(yáng)核聚變的產(chǎn)物

5. 大氣渺子：帶有一個(gè)單位負(fù)電荷的基本粒子；宇宙射線(xiàn)在地球大氣衰變的產(chǎn)物

6. 中子通量：一個(gè)單位時(shí)間里通過(guò)一個(gè)單位面積的中子數(shù)

7. 調(diào)變/調(diào)制；以調(diào)制信號(hào)改變周期性載波某些屬性并加入信息的技術(shù)，用于電子通信領(lǐng)域

8. 包括P.?S. Barbeau、 J.?I. Collar、Yu. Efremenko和 K. Scholberg四人

9. 中子俘獲：原子核與中子撞擊后形成重核的核反應(yīng)

10. DM-Ice：耶魯大學(xué)在南半球以碘化鈉直接探測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)

作者: Tushna Commissariat

FY: Rochelle Leung

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