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即使是探尋了幾十年，科學家對暗物質粒子的探索仍沒有取得突破。暗物質存在的證據幾乎不可置疑，但目前為(wei) 止沒有人知曉它由什麽(me) 構成。數十年來，物理學家都期望著暗物質最終會(hui) 被證實是“重”的，即由所謂的“大質量弱相互作用重粒子”(WIMPs)構成，從(cong) 而能在實驗室中被直接探測到。

但是，由於(yu) 仔細搜索多年卻沒有發現“大質量弱相互作用粒子”(WIMPs)的明確跡象，物理學家正擴展他們(men) 搜索的範圍。隨著新的和更為(wei) 精確的試驗讓數據收集能力大為(wei) 提升，研究者正在重新評估關(guan) 於(yu) 比光子輕的暗物質粒子可能出現在探測器中的理論。今年早些時候發表於(yu) 論文預印本服務器arXiv.org的兩(liang) 篇文章體(ti) 現了這種轉變。它們(men) 率先提出了探測器可能發現暗物質產(chan) 生的表麵等離激元（plasmon）——在某種材料中共同移動的電子聚合體(ti) 。

第一份研究由分別來自位於(yu) 伊利諾伊州巴達維亞(ya) 的費米國家加速器實驗室（Fermilab）、伊利諾伊大學香檳分校和芝加哥大學。他們(men) 提出低質量的暗物質可以產(chan) 生等離激元，並宣稱其可能已經被一些探測器探測到了。受到那篇論文的啟發，加州大學聖地亞(ya) 哥分校的兩(liang) 位物理學家，Tongyan Lin和 Jonathan Kozaczuk計算出了低質量暗物質在一個(ge) 探測器中產(chan) 生表麵等離激元的可能性。

“我們(men) 都喊出來了，‘plasmon，plasmon，plasmon！’，因為(wei) 那是一個(ge) 有說服力的現存現象。我們(men) 認為(wei) 它可能有助於(yu) 解讀暗物質相關(guan) 的試驗。” Gordan Krnjaic說道，他是費米實驗室和芝加哥大學卡夫利宇宙物理研究所的一位暗物質理論學家，同時他也是第一份研究的合著作者。粒子物理學家和天體(ti) 物理學家在近十年來一直在推測如何探測低質量暗物質。但是他們(men) 先前並沒有考慮到以表麵等離激元（plasmon）為(wei) 證據。它更為(wei) 化學家和材料科學家所熟悉。

“我認為(wei) 這很棒。”耶路撒冷希伯來大學的理論物理學家Yonit Hochberg說道，他給Krnjaic的團隊提出了反饋但並沒有直接參與(yu) 任何一項研究。“我認為(wei) ，有表麵等離激元（plasmon）可能產(chan) 生影響，它們(men) 目前卻沒有被考慮在內(nei) ，這是一個(ge) 值得進一步研究的極為(wei) 重要的一點。”

其它研究者則對第一篇論文更多地抱懷疑的態度。那份研究“對於(yu) 我而言一點說服力也沒有”，Kathryn Zurek說道，他是加州理工的一位暗物質理論學家，同時並沒有直接參與(yu) 任何一項研究，“我就是沒看出來這能行。”

第一篇論文的合著作者，費米實驗室和卡夫利宇宙物理研究所的暗物質試驗學家Noah Kurinsky從(cong) 容麵對批評和質疑。“我們(men) 挑動他們(men) 來指正我們(men) ，我認為(wei) 這對該領域是十分健康的。而這正是他們(men) 應該著力去做的。”他說道。

尋根問底

對一個(ge) 不可見，幾乎不留蹤跡的物質的搜尋通常是這樣進行的：為(wei) 了探測到暗物質粒子，物理學家拿到一種物質，把它放到地底深處的某個(ge) 地方，把它和儀(yi) 器連上，盼望著能發現一些信號。具體(ti) 而言，他們(men) 希望暗物質會(hui) 擊中探測器，產(chan) 生儀(yi) 器能觀測到的電子、光子，乃至熱。

暗物質探測的理論可以追溯到一篇1985年的論文，該文章討論了如何對一個(ge) 中微子探測器稍加調整以尋找暗物質粒子。該論文提出，一個(ge) 外來的暗物質粒子可能會(hui) 擊中探測器中原子的核子，類似於(yu) 一個(ge) 台球撞上了另一個(ge) 。碰撞會(hui) 轉移暗物質的動量，重擊核子以致於(yu) 它釋放出一個(ge) 電子或是光子。

在能量高的條件下，這沒有問題。探測器中的原子可以認為(wei) 是自由粒子，獨立而不相互聯結。但是，在能量低的條件下，情況就不一樣了。

“你的探測器不是由自由粒子構成的。” 伊利羅伊大學香檳分校的一位暗物質理論學家Yonatan (Yoni) Kahn說道，他也是第一篇論文的合著作者。“它們(men) 由某種東(dong) 西組成。而如果你想要知道你的探測器實際上是如何工作的，你就需要理解這種東(dong) 西。”

在探測器內(nei) 部，低質量的暗物質粒子仍然會(hui) 轉移動量。但是，它會(hui) 導致原子核振動，而不是像打散一架台球一樣。換言之，它會(hui) 更像乒乓球一樣運動。

“隨著暗物質的質量變小，將會(hui) 有其它原本微弱的效應發揮作用。”Lin說道。這些效應包括物理學家所說的“集體(ti) 激發”。當幾個(ge) 粒子一同運動的時候，它們(men) 可以被描述成一個(ge) 單一的實體(ti) ，正如聲波由許多震動的原子組成一樣。

當一組電子一同經曆這種運動的時候，將會(hui) 產(chan) 生表麵等離激元（plasmon）。一組原子核一同振動的時候，它們(men) 的集體(ti) 激發被稱為(wei) 聲子。這些現象通常被研究暗物質的天體(ti) 物理學家和高能物理學家認為(wei) 是無關(guan) 緊要的。

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但正如已故的諾獎得主，物理學家威利普·安德森曾經打趣道，“多即不同”。他意在指出在不同的尺度將會(hui) 產(chan) 生新的效應。比如說，一滴水和一個(ge) 單一的水分子遵從(cong) 不同的定律。“我覺得那話十分有道理。” Kahn說道。

兩(liang) 篇論文對等離激元產(chan) 生的研究方法稍有不同。然而，他們(men) 得出了相同的結論——我們(men) 確實應該去尋找這樣的信號。特別是根據Lin 和 Kozaczuk的計算，低質量暗物質產(chan) 生表麵等離激元（plasmon）的幾率為(wei) 產(chan) 生電子或是光子幾率的萬(wan) 分之一。這個(ge) 數字聽起來好像不太頻繁，但這對追求精確的物理學家來說已經足夠了。

暗夜一擊

直到最近，最靈敏的暗物質探測器依賴於(yu) 大量的液化氙。然而，在過去幾年，新一代更小型的固體(ti) 探測器閃亮登場。以如EDELWEISS III, SENSEI 和CRESST-III等縮寫(xie) 聞名，它們(men) 由鍺、矽、白鎢等材料構成，能探測到即使隻產(chan) 生了一個(ge) 電子的暗物質碰撞。

但是所有的探測器，無論它們(men) 被多麽(me) 好地屏蔽起來，都會(hui) 受到如背景輻射等來源的幹擾。所以，在過去的幾年，當操作數個(ge) 暗物質探測器的科學家在低能量區發現多於(yu) 預期的信號時，他們(men) 並沒有太在意。

Kurinsky和他同事的論文率先提出了不同暗物質試驗中低能量區信號“過量”情況的驚人相似性。好幾次的過量情況似乎都集中在大概10赫茲(zi) 每千克探測器質量的區域。然而，探測器由不同材料組成，位於(yu) 不同地方，且在不同的條件下運作。所以，很難對這種“不謀而合”給出統一的解釋，除非——這是因為(wei) 暗物質的作用。對此的討論引起了其他物理學家的關(guan) 注，其中包括Lin。她迅速投入了表麵等離激元的計算。但是即使她自己也對實驗的發現源於(yu) 暗物質產(chan) 生表麵等離激元抱有疑慮。“我並不是說這不可能是暗物質。”她說道，“但目前為(wei) 止這並沒有說服我。”

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隨著新一代暗物質探測器帶來更多的數據，這一假說將得到檢驗。但是探測器是否發現的是暗物質的蹤跡可能已經無關(guan) 緊要了。該領域內(nei) 的研究者現在正思考和討論表麵等離激元以及其它低質量暗物質可能的行為(wei) 。對精確閾值區域的探索正如火如荼的進行。

“我們(men) 猜錯的情況並不唯一。” Krnjaic說道。“它們(men) 也都很讓人振奮。”

作者：Daniel Garisto 是報道物理及其它自然科學前沿的自由科學記者。他的文章刊登於(yu) Nature News, Science News, Undark以及其他媒體(ti) 。

翻譯：莫澤鑫

審校： 郭曉

引進來源：科學美國人

引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/direct-proof-of-dark-matter-may-lurk-at-low-energy-frontiers


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