暗物質是一種看不見的物質，它構成了我們宇宙中的大部分質量，弄清暗物質的本質是物理學中最大的難題之一。世界上最靈敏的暗物質探測器LUX-ZEPLIN（LZ）的最新研究成果縮小了暗物質主要候選者之一的可能性：弱相互作用大質量粒子（WIMPs）。

LZ 的中央探測器–時間投影室，在運往地下之前位於地面實驗室的無塵室中。圖片來源：Matthew Kapust/桑福德地下研究設施

LZ由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）領導，在南達科他州桑福德地下研究設施地下近一英里的洞穴中尋找暗物質。實驗的新結果探索出了比以往任何時候都要弱的暗物質相互作用，並進一步限制了WIMPs 的可能性。

光電倍增管陣列，用於偵測LZ 的液態氙槽中出現的訊號。圖片來源：Matt Kapust/桑福德實驗室

LZ發言人、倫敦大學學院（UCL）教授查姆考爾-加格（Chamkaur Ghag）說：「這是對暗物質和WIMPs的新的世界領先制約，而且幅度相當大。」他指出，探測器和分析技術的表現甚至比合作方預期的還要好。 “如果WIMPs 出現在我們搜尋的區域內，我們就能有力地說明一些問題。我們知道，隨著我們搜尋更低的能量和累積這個實驗的大部分壽命，我們擁有了查看它們是否存在的靈敏度和工具”。

此合作計畫並未發現品質超過9千兆電子伏特/平方公分（GeV/c2）的WIMP 的證據（作為對比，質子的品質略低於1 GeV/c2）。 (該實驗對微弱相互作用的敏感性幫助研究人員剔除了不符合數據的潛在WIMP暗物質模型，從而大大減少了WIMP的藏身之處。新成果於8月26日在兩個物理學會議上公佈：伊利諾州芝加哥的TeV粒子天文物理學2024會議和巴西聖保羅的LIDINE 2024會議。

外部偵測器安裝完畢後，LZ 小組成員在LZ 水箱中。資料來源：桑福德地下研究設施，馬修-卡普斯特

結果分析了280 天的數據：一組新的220 天數據（在2023 年3 月至2024 年4 月期間收集）與LZ 首次運行的60 天數據相結合。實驗計劃在2028年結束前收集1000天的數據。

LZ的物理副協調員、德克薩斯大學奧斯汀分校教授斯科特-克拉維茨（Scott Kravitz）說：”如果你認為尋找暗物質就像尋找埋藏的寶藏，那麼我們挖得幾乎比過去任何人都要深五倍。

2023 年6 月，LZ 合作成員聚集在桑福德地下研究設施，就在實驗開始最近的科學運作後不久。圖片來源：Stephen Kenny/桑福德地下研究設施

LZ 的靈敏度來自於探測器可以透過無數種方式減少背景，即可以冒充或隱藏暗物質相互作用的虛假訊號。在地下深處，探測器屏蔽了來自太空的宇宙射線。為了減少來自日常物體的自然輻射，LZ 是由數千個超潔淨、低輻射的部件建造而成的。探測器的構造就像洋蔥，每一層都可以阻擋外界輻射，或是追蹤粒子的相互作用，以排除暗物質模擬物。複雜的新分析技術有助於排除背景交互作用，尤其是最常見的罪魁禍首：氡。

這項成果也是LZ首次應用”加鹽”技術–一種在資料收集過程中添加假WIMP訊號的技術。透過偽裝真實數據直到最後”取消加鹽”，研究人員可以避免無意識的偏見，避免過度解釋或改變他們的分析。

LZ物理協調員 Scott Haselschwardt說：「我們正在把邊界推向一個人們以前從未尋找過暗物質的領域，人類有一種傾向，就是希望看到數據中的模式，所以當你進入這個新領域時，最重要的是不能有任何偏見。

據估計，暗物質佔宇宙質量的85%，但從未被直接探測到，儘管它在多項天文觀測中留下了痕跡。如果沒有這個神秘而又基本的宇宙組成部分，我們就不會存在；暗物質的質量有助於引力吸引，幫助星系形成並保持在一起。

LZ 使用10 噸液態氙為暗物質粒子提供了一種緻密、透明的材料，使其有可能撞上。我們希望暗物質粒子撞擊氙原子核，使其移動，就像打台球時被母球擊中一樣。透過收集相互作用時發出的光和電子，LZ 可以捕捉潛在的WIMP 訊號和其他數據。

“我們已經展示了我們作為WIMP搜尋機器的強大實力，我們將繼續運行並變得更好–但我們還可以用這個探測器做很多其他事情，”WIMP搜尋工作的領導者、UCL的助理教授艾米-科特爾（Amy Cottle）說。 “下一階段，我們將利用這些數據研究其他有趣而罕見的物理過程，例如氙原子的罕見衰變、無中子的雙β衰變、來自太陽的硼-8中微子，以及其他超越標準模型的物理過程。

LZ是由來自美國、英國、葡萄牙、瑞士、韓國和澳洲的38個機構的大約250名科學家和工程師合作完成的；這項創紀錄的實驗的大部分建造、運行和分析工作都是由早期職業研究人員完成的。合作團隊已經開始期待分析下一組數據，並使用新的分析技巧來尋找更低品質的暗物質。科學家們也正在思考進一步改進LZ 的潛在升級方案，並計劃建造名為XLZD 的下一代暗物質探測器。

克拉維茲說：”我們搜尋暗物質的能力正在以比摩爾定律更快的速度提高。光看一條指數曲線，之前的一切都不算什麼。等著看接下來會發生什麼吧。”

編譯自/ ScitechDaily