宇宙中 85%物质神秘消失，科学家追寻真相

宇宙中的大部分物质都不见了。科学家们认为，宇宙中约 85%的物质是由看不见的暗物质构成的，这种物质只能通过其对周围环境的引力效应间接探测到。

我和我的同事们——一个由来自世界各地的约 250 名科学家组成的团队，从事一个名为LUX-ZEPLIN（或 LZ）的暗物质实验——报告了我们在长期探索中关于确切了解这种暗物质由什么构成的最新发现。

我们还没有找到我们认为构成暗物质的难以捉摸的粒子，但我们已经对它们的性质设定了迄今为止最严格的限制。我们还表明，我们的探测器正如预期那样工作——未来应该会产生更好的结果。

我们的结果在芝加哥的2024 年特瓦特粒子天体物理学会议和巴西圣保罗的2024 年 LIDINE 会议上进行了报告。一篇期刊论文将提交同行评审。

当天文学家观察宇宙时，他们看到有证据表明，恒星、气体和星系的可见物质并不是全部。许多现象，如星系旋转的速度和大爆炸的残余辉光模式，只有在存在大量某种不可见物质——暗物质的情况下才能得到解释。

那么，这种暗物质是由什么构成的？我们目前不知道有任何一种粒子能够解释这些天文观测结果。

有几十种理论旨在解释暗物质的观测结果，从奇异的未知粒子到微小的黑洞，或者对我们的引力理论进行根本性的改变。然而，它们中没有一个被证明是正确的。

最流行的理论之一表明，暗物质是由所谓的“弱相互作用大质量粒子”（或 WIMPs）组成的。这些相对较重的粒子可能会导致观察到的引力效应，而且——非常罕见地——与普通物质相互作用。

我们怎么知道这个理论是否正确？嗯，我们认为这些粒子一定一直在穿过地球。在大多数情况下，它们会在不与任何东西相互作用的情况下通过，但每隔一段时间，一个 WIMP 可能会直接撞入一个原子的原子核——而这些碰撞正是我们试图发现的。

LZ 实验位于美国南达科他州地下约 1500 米的一座旧金矿中。将实验置于地下深处有助于尽可能减少背景辐射。

该实验包括一个大型的双层壁储罐，里面装有 7 吨液氙，这是一种冷却到 175 开尔文（-98°C）的惰性气体。

如果一个暗物质粒子撞击到氙原子核，它应该会发出微小的闪光。我们的探测器有 494 个光传感器来检测这些闪光。

当然，暗物质粒子并不是唯一能产生这些闪光的东西。周围环境甚至储罐和探测器本身的材料仍然存在一些背景辐射。

弄清楚我们是否看到了暗物质的迹象，很大一部分工作在于将这种背景辐射与任何更奇特的东西区分开来。为此，我们对有暗物质和没有暗物质时预期会看到的结果进行了详细的模拟。

这些模拟一直是我在实验中大部分工作的重点，这项工作从我 2015 年开始攻读博士学位时就开始了。我还开发了探测器监测传感器，并负责地下中央探测器的集成和调试，该探测器于 2021 年开始收集数据。

我们的最新结果没有显示出暗物质的迹象。然而，它们让我们排除了很多可能性。

我们没有发现质量超过 1.6×10–26千克的粒子的踪迹，这大约是质子质量的 10 倍。

这些结果是基于探测器 280 天的观测数据得出的。最终，我们的目标是收集 1000 天的数据——这将使我们能够寻找更难以捉摸的潜在暗物质粒子。

如果我们幸运的话，我们可能会在新数据中发现暗物质。如果没有，我们已经开始为下一代暗物质实验制定计划。XLZD（氙 - 勒克斯 - 泽普林 - 达尔文）联盟的目标是建造一个几乎大 10 倍的探测器，这将使我们能够在这些无处不在但难以捉摸的粒子可能隐藏的更多空间中进行搜索。