寻找暗物质的装置，或能意外揭开中微子之谜？

Daphane

来源：环球科学


XENON1T装置（图片来源：XENON1T官网）

XENON1T是一个暗物质探测项目，其装置位于意大利格兰萨索国家实验室的地下1400米处。虽然暗物质粒子尚未现身，但XENON1T却取得了意料之外的发现。在本周《自然》期刊的一项研究中，XENON1T团队发现了迄今为止最为罕见的事件：半衰期长达1.8x1022年，相当于万亿倍宇宙寿命的氙124衰变。这个意外发现，或许能为我们揭开中微子的性质之谜。　　很多时候，做物理实验像守株待兔，兔子不一定会来……
　　比如几十年前，日本的小柴昌俊在日本神冈的一个废弃的地下矿井里，用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管探测质子衰变的信号。他们努力了很久，但神冈实验没有找到质子衰变。等得时间越长，越能确定质子的寿命，最后确定质子的寿命大于1033年。
　　但是，守得云开见月明。1987年，16万光年之外的超新星爆发，小柴昌俊那几千吨纯净水探测到了超新星中微子。因为这个贡献，他在2002年得了诺贝尔物理学奖——这就是“来自16万光年之外的礼物”。
　　探测暗物质的实验，也发生了类似的意外。
　　寻找WIMP
　　在意大利格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory），有一个探测暗物质粒子的项目——XENON1T。这个实验室与日本神冈小柴昌俊当年的实验室很像，也是很深的地下井，也需要用到很纯的液体探测器。



格兰萨索国家实验室外景（图片来源：wikipedia）

　　只不过，日本神冈用的是纯净水，而意大利的XENON1T用的是纯度极高的液氙。氙（Xe）是一种惰性气体，一般被汽车改装者用做氙灯，氙灯可以亮瞎对面车道上的车主。这种惰性元素，是怎样用来探测神秘的暗物质粒子的？
　　需要强调的是，暗物质粒子的理论模型非常多，寻找暗物质粒子犹如在茫茫人海中找人。直到现在，我们甚至连暗物质的名字到底是什么都不知道。有的人说暗物质叫WIMP，有的人说暗物质叫Axion……公说公有理，婆说婆有理。
　　在众多暗物质理论模型中，有一种质量在1GeV~1000GeV量级（作为对比，我们知道质子的质量接近1GeV）的候选暗物质粒子格外受物理学家青睐，这个粒子就是弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）。
　　上海交通大学物理与天文学院博士后张佳骏告诉《环球科学》记者：“WIMP是一类流行的暗物质候选者。在宇宙热大爆炸模型中，随着早期炽热的宇宙逐渐膨胀并冷却，暗物质粒子与其他粒子解耦合并且长期稳定留存到今天。只要暗物质粒子具有相当于弱相互作用的反应截面，或者说它可以参与弱相互作用，并且它们还比较重（静质量大于1GeV），在广泛的质量范围内（从GeV直到TeV量级），都能自然地解释现在天文观测到的暗物质的密度。这就是WIMP得名的原因——参与弱相互作用并且质量大。而WIMP在热大爆炸宇宙模型中对于宇宙暗物质密度的成功解释就被俗称为WIMP奇迹。”
　　可以看出，WIMP肯定比质子重，因此如果要让它去撞一个原子核，假设这个被撞的原子核质量与WIMP差不多，那么就可能发生弹性碰撞，可以把被撞的原子核加速到很高的速度。这个被撞的原子核获得这些动能后可以运动起来，最后撞上别的物质而发光，科学家可以通过发出的光来推算WIMP的质量与其相互作用的截面。
　　在具体的操作中，有一部分科学家就选择了氙原子核作为被撞对象。氙是54号元素，实验选用的是半衰期最长的同位素——氙124。氙原子核与WIMP的质量是接近的，因此可以“关公战张飞”，而不是“关公战蚂蚁”，这看起来也许是一幕好戏。
　　当然在质量比较小的暗物质粒子的理论中，比如所谓的轴子（Axion）质量就在μeV-keV量级，这个就不能去撞氙原子核来做实验了，因为氙原子核对轴子来说太重了，轴子撞上去犹如“蚍蜉撼大树”。
　　液氙所要探测的，就是WIMP。
　　XENON1T的实验装置位于地下1400米深，内部有一个装有3.2吨液氙的巨形水槽。如果暗物质粒子WIMP存在，它的穿透能力极强，那么WIMP可以穿到地下与水槽中的氙原子核碰撞，这种碰撞会产生独特的发光信号，科学家希望捕捉到这一小概率事件。


XENON1T实验装置内部（图片来源：XENON1T官网）

　　液氙意外衰变
　　本来科学家认为，液氙是非常稳定的，它就好像守株待兔这个故事里的“株”静静等待暗物质粒子这个“兔”来撞击它。
　　但是，意外发生了。
　　最近，在XENON1T合作组的科学家发现，兔子没等到，株却变了。
　　在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中，XENON1T的研究人员宣布观察到氙124的放射性衰变。氙124变成了碲124，原子序数从54号元素变成了52号元素。
　　这事情是怎么发生呢？简单地说就是一个“电子俘获”过程。
　　电子俘获在白矮星与中子星形成过程中非常常见，因为强引力的作用，原子核会俘获电子，然后放出中微子。但是，在正常的环境下，如果没有强大的引力加持，那么原子核自发地俘获电子的概率很低——我们也可以用反证法来看这个事情，如果这个概率很高，那么我们人类就不会存在。人体的大部分是水，如果水分子里的氢原子核自发俘获核外电子，那么就会变成中子。水分子里的氧原子核如果自发俘获电子，那么就会变成在元素周期表上相邻的氮或者碳。我们人类就会被“中子化”或者“碳化”。
　　所以，自发俘获电子，对液氙的原子核来说，也只是小概率事件。氙124的半衰期为1.8x1022年。
　　不过，最近科学家发现了液氙原子核俘获电子后发生衰变的现象。
　　中微子性质之谜
　　XENON1T实验组的液氙一口气居然俘获了两个电子。
　　这事情就大了。
　　我们知道，原子核是带正电的，当它突然吸收两个电子以后，原子核内的质子与电子会结合形成中子。这个过程发生以后，学术界有两种看法。
　　第一种看法认为原子核既然吃进两个电子，它应该放出两个中微子。这叫做“双中微子双电子俘获”（2νECEC）。
　　另外一种看法认为，原子核吃了两个电子，但不会发出中微子，这叫做“无中微子双电子俘获”（0νECEC）。


2νECEC过程示意图（图片来源：XENON1T官网）

　　其中第一个看法是支持粒子物理的标准模型的，而第二个看法则是违反粒子物理标准模型的，这说明中微子是马约拉纳粒子——也就是说中微子的反粒子就是它自己。
　　张佳骏说：“XENON1T实验组的条件还是比较有限的，他们虽然没有条件探测到中微子，但他们有很多光电倍增管，可以探测到这个过程中的X射线与俄歇电子激发的光信号。从光信号的能量分析来看，他们支持的是第一种看法，也就是说他们认为已经有中微子释放出去了。”


从物理图像上来看，只有当两个电子恰好在正确的时间同时紧靠原子核时，才会发生双电子俘获，这是“一种罕见的现象再乘以另一种罕见的现象，使它最后变得极端罕见”。从费曼图的角度来说，两个中微子双电子俘获是一个二阶弱相互作用过程，其概率极小，如果不是要大量的液氙，观测到这种现象的时间远超宇宙的年龄。
　　到目前为止，只有两种同位素氪78和钡130出现了2νECEC衰变的迹象。而这个液氙实验说明，氙原子核也可以发生2νECEC衰变。
　　张佳骏表示，这次事件能确认氙发生了2νECEC衰变，不过目前还不能排除中微子是马约拉纳粒子的可能性：“不管中微子是不是马约拉纳的，2vECEC都是可以发生的；但只有当中微子是马约拉纳粒子时，才有可能发生0vECEC。因此，只有等待更强大的探测技术出现，才有可能给出定论。”
　　这次实验是一个意外，因为液氙的实验本来不是为了探测中微子设计的，但在暗物质粒子WIMPS没被找到的情况下，却意外发现了液氙发生了2νECEC，这给大家一个启发：在实验中增加中微子的探测装置，这或许不但能检验中微子到底是不是马约拉纳粒子，还可能测量出中微子的绝对质量。