尋找宇宙的隱形主宰：暗物質的身份追蹤

「雖然我們總是希望發現新的粒子，但對於粒子物理學來說，能夠設定暗物質可能存在的界限，也是非常重要的。」——加州大學聖塔芭芭拉分校實驗物理學家 Hugh Lippincott

(暗物質研究新進展): (LUX-ZEPLIN (LZ)實驗的最新結果，以前所未有的精度縮小了弱相互作用大質量粒子（WIMPs）的可能範圍，為理解暗物質的本質提供了更清晰的方向。)


在探索宇宙奧秘的道路上，暗物質一直是科學家們孜孜不倦追尋的目標。這種看不見、摸不著，卻佔據宇宙質量絕大部分的神秘物質，對星系的形成和宇宙的演化起著至關重要的作用。儘管科學家們已經懷疑暗物質的存在數十年，但其真實身份仍然撲朔迷離。最近，LUX-ZEPLIN (LZ) 實驗釋出了其最精確的結果，為解開暗物質之謎帶來了新的希望。這項研究不僅為弱相互作用大質量粒子 (WIMPs) 的搜尋設定了新的限制，也為未來更精準的暗物質探測奠定了基礎。


(LZ 實驗的設計與運行): (LZ 實驗位於南達科他州的 Sanford 地下研究設施深處，利用液氙的獨特物理性質，打造了一個極其靈敏的暗物質探測器，有效屏蔽了來自外界的各種干擾。)


LZ 實驗選址在 Sanford 地下研究設施，位於地下一英里深的洞穴中，旨在屏蔽來自宇宙射線的干擾。實驗的核心是兩個嵌套的鈦金屬容器，裡面填充了十噸透明的純液態氙。液態氙的密度極高，可以創造一個高度隔離的環境，免受外界「噪音」的影響，非常適合捕捉微弱的暗物質訊號。科學家們希望 WIMP 能夠撞擊氙原子核，使其移動，就像撞球遊戲中的母球一樣。透過收集相互作用過程中發出的光和電子，LZ 能夠捕捉潛在的 WIMP 訊號以及其他數據。液氙核心周圍環繞著一個更大的外層探測器 (OD)，由填充了摻雜鎵的液態閃爍體的丙烯酸容器組成。

正如居里夫人所說：「我們必須相信，我們有能力做某事，而且不惜任何代價都要做到。」

(降低背景噪音的策略): (為了最大限度地提高探測靈敏度，LZ 實驗採用了多種策略來降低背景噪音，包括深埋地下以屏蔽宇宙射線、使用超潔淨低輻射材料，以及運用複雜的分析技術。)


LZ 實驗的靈敏度源於其降低背景訊號（可能模仿或隱藏暗物質相互作用的錯誤訊號）的無數方法。深埋地下可以屏蔽來自太空的宇宙射線。為了減少日常物體產生的自然輻射，LZ 由數千個超潔淨、低輻射的零件製成。探測器的結構就像洋蔥一樣，每一層都可以阻擋外部輻射或追蹤粒子相互作用，以排除暗物質的模仿者。此外，複雜的新分析技術有助於排除背景相互作用。例如，LZ 合作團隊採用了一種稱為「加鹽」的技術，在數據採集過程中添加假 WIMP 訊號。透過將真實數據偽裝起來，直到最後「脫鹽」時，研究人員可以避免無意識的偏差，並防止過度解釋或改變他們的分析。


(中子和氡的挑戰): (中子和氡是兩種主要的背景訊號來源，它們與氙原子核的相互作用可能產生類似於 WIMP 訊號的事件。LZ 實驗透過外層探測器 (OD) 以及精密的數據分析技術，有效地降低了這些干擾。)


中子是除氫以外的每個原子中都存在的亞原子粒子，是最常見的 WIMP 訊號干擾因素之一。外層探測器 (OD) 的設計、製造和調試由加州大學聖塔芭芭拉分校領導，它是使合作團隊能夠排除這些粒子的關鍵組件，並實現真正的發現。「中子的棘手之處在於它們也會與氙原子核相互作用，發出與我們預期從 WIMP 獲得的訊號相同的訊號，」加州大學聖塔芭芭拉分校的研究生 Makayla Trask 說。「OD 擅長檢測中子，並且透過沒有任何反應來證實 WIMP 的檢測。」如果 OD 中存在脈衝，則可以否決原本完美的 WIMP 檢測候選者。氡也是一種 WIMP 模仿者，科學家必須對其保持警惕。「氡會經歷一個特定的衰變序列，其中一些衰變可能會被誤認為是 WIMP，」巴傑曼說。「我們在這次運行中能夠做的一件事是找出探測器中整套衰變情況，以識別氡並避免將它們與 WIMP 混淆。」


(研究團隊的貢獻): (加州大學聖塔芭芭拉分校 (UCSB) 在 LZ 實驗中扮演了重要的角色，從實驗的設計、建造到數據分析，UCSB 的研究團隊都做出了卓越的貢獻。)


加州大學聖塔芭芭拉分校 (UCSB) 是 LZ 的創始團隊之一，由 UCSB 物理學家 Harry Nelson 領導，他於 2012 年在 UCSB 主持了第一次 LZ 會議。該團隊目前由教職員工 Lippincott 和 Nelson、博士後研究員 Chami Amarasinghe 和 TJ Whitis，以及研究生 Jeonghwa Kim、Makayla Trask、Lindsey Weeldreyer 和 Jordan Thomas 組成。該結果的其他貢獻者包括最近獲得博士學位的 Jack Bargemann（現為太平洋西北國家實驗室的博士後研究員）和前本科生 Tarun Advaith Kumar（現為 Perimeter Institute 的研究生）。該結果的物理協調員是 Scott Haselschwardt，他於 2018 年在 UCSB 獲得博士學位，現為密西根大學的助理教授。


(未來的展望): (LZ 實驗計劃在 2028 年結束前，收集總計 1000 天的數據。科學家們也在積極思考如何進一步升級 LZ 實驗，並規劃下一代暗物質探測器 XLZD，以期在暗物質研究領域取得更大的突破。)


憑藉這些結果，WIMP 可能存在的可能性範圍已大大縮小，從而使所有搜尋暗物質的科學家能夠更好地集中搜尋範圍並拒絕關於宇宙如何運作的不正確模型。這是一場漫長的遊戲，未來需要收集更多數據，它不僅會加速暗物質的搜尋。「我們的實驗也對物理學各個領域中罕見的事件很敏感，」Amarasinghe 說。「一些例子是太陽微中子、某些氙同位素的迷人衰變，甚至其他類型的暗物質。有了這項結果的強度支持，我非常興奮能花更多時間在這些搜尋上。」科學家們還在思考潛在的升級，以進一步改進 LZ，並計劃下一代暗物質探測器，稱為 XLZD。

若對 LUX-ZEPLIN (LZ) 實驗的細節有興趣，可以在 ScienceDaily 網站上搜尋 “Scientists may be closing in on dark matter’s true identity” 以獲得更詳細的資訊。

Ref:

University of California – Santa Barbara. (2025, October 1). Scientists may be
closing in on dark matter’s true identity. ScienceDaily. Retrieved October 1,
2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250930034209.htm