暗物质依然踪迹难寻，是理论出错了还是检测方法有问题？
原文以Astroparticle physics: Dark matter remains elusive为标题
发布在2017年2月8日的《自然》新闻与观点版块上
原文作者：季向东，上海交通大学粒子物理宇宙学研究所所长，美国马里兰大学教授。
暗物质——宇宙中“缺失的质量”——极有可能是由大质量弱相互作用粒子（WIMP）组成的。虽然灵敏度显著增加，但探测实验仍然未能发现此类粒子存在的证据。
近一个世纪以来，科学家一直声称宇宙中充满了暗物质，一种与我们周围所见的一切都不同的神秘物质。自20世纪80年代中期以来，人们基于暗物质由大质量弱相互作用粒子（WIMP）组成的假设建造了粒子探测器，以寻找暗物质。现在，这些实验的灵敏度已经比最初高出约10万倍，但人们仍未发现WIMP。根据四年间从一个液氙探测器取得的数据，国际液氙合作组（XENON Collaboration）在《物理学评论D辑》中发表文章，再次报告了零结果。此类实验未能发现相关信号引起了人们对暗物质性质的广泛猜测，也对WIMP假设带来了挑战。
WIMP是一种理论上存在、性质应类似于中微子的粒子。它们是电中性的，除引力相互作用外仅参与弱核力的相互作用。弱核力是一种微弱的核力，它可以将中子转变为质子，反之也可。弱核力最显著的例子是太阳中核聚变的第一步——两个质子融合形成重氢。许多尝试解释暗物质的粒子物理学模型都预测暗物质应参与弱相互作用。WIMP存在的最有力的论据是，它能自然地解释为什么现在的宇宙约27%是由暗物质构成的，而不是接近100%。
探测WIMP最直接的方法是让它们与地球上的普通物质碰撞——受太阳系围绕银河中心旋转的影响，WIMP应该会以每秒220千米的平均速度穿过地球上的一切事物。这种直接探测实验必须在地下深处进行，因为地面的宇宙射线会产生大量背景噪声。即使是在地下深处，也必须将探测器小心地隔离起来，靶标物质和探测器本身的放射性都必须达到最低——目的还是为了降低背景噪声。
在21世纪最初十年，在低温暗物质搜寻计划(CDMS Collaboration)的引领下，大部分直接探测实验采用了半导体技术，带来了实验灵敏度的提升。这些半导体材料的放射性极低，探测器可以发现非常微弱的信号。因此，这些实验最适合用来探测质量介于1到几个吉电子伏特(GeV)之间的轻量WIMP（粒子质量一般用基于电子伏特(eV)的能量单位表示）。
2004年，XENON开始开发一种“二相型”液氙探测技术（见图1）。在这样的实验中，当一个粒子从液氙原子上散射开时，它就会产生光，并被两排光电倍增管探测到；粒子也会产生电子。电场的存在使电子流过液氙，并在进入气态氙层时散发出光。通过研究这两个光信号的出现时间和相对强度，作者就可以确定散射事件的3D位置，并将WIMP散射与背景噪声区别开来。氙可以达到极高的纯度，因为它缺乏寿命较长的放射性同位素（136Xe除外，它的半衰期非常长，因此只对大型探测器有影响）。液氙探测器对质量介于10-100 Gev左右的WIMP最敏感。
二相型氙探测技术
XENON一直在寻找WIMP存在的证据，WIMP是一种理论上存在的粒子，或可解释宇宙中的“暗物质”。作者的探测器组成：一个填满液氙和气态氙的腔体、两排光电倍增管(PMT)、一个由一对正负极产生的电场，以及一个围绕液体表面的更强大的电场（未在图中显示）。如果一个WIMP从探测器内的一个液氙原子上散射开来，它将产生光和电子(e−)，产生的光会被PMT探测到。由于电场的存在，电子将流至液氙层顶部，并在穿过液氙表面的时候发射出光。XENON使用这些光信号来确定散射事件的准确3D位置和信号的相对强度，以将WIMP散射与普通放射现象区别开来。
2008年，作者公布了他们在意大利格兰萨索国家实验室开展的XENON10实验的首批数据。该试验使用了5.4公斤的液氙靶，所得结果与基于半导体的顶级实验结果相仿。自此之后，本文作者的二相型技术使WIMP探测的灵敏度得到了快速提升，21世纪的最初十年成为了直接探测实验史上的“氙年代”。在本篇论文中，XENON呈现了后续实验XENON100所得的结果。
XENON100由62公斤的液氙靶和远大于XENON10的探测器组成。该试验项目为期四年，分为三个数据采集期，最新发表的数据将第三次采集和之前已发布的结果整合在了一起。虽然该试验的灵敏度较XENON10已有大幅提升，但作者仍未发现WIMP存在的证据。他们的结果表明，如果这些粒子确实存在，那么它们的质量要么远小于几GeV，要么远大于几GeV，或者它们与普通物质的相互作用极其罕见。
XENON100实验的搜索灵敏度一直居于领先地位，直到2014年大型地下氙实验(LUX)发布首批结果才被打破。LUX实验位于南达科他州的桑福德地下研究所，使用了250公斤液氙靶。上个月，LUX实验的最终结果对外公布，它们的灵敏度约比XENON100高10倍。2016年，另一个新试验——PandaX二期开始在中国四川锦屏地下暗物质实验室（采用580公斤靶）展开。PandaX二期前100天的数据灵敏度已经与LUX接近。但是，这些实验无一探测到WIMP的信号。
暗物质直接探测实验的结果强烈挑战、甚至排除了一些简单的WIMP模型。但是，某些类型的WIMP对探测灵敏度的要求仍高于目前可达到的水平。因此，WIMP的探寻之旅远未结束；现在正是这类探测实验的关键时期。ⓝ
Nature|doi:10.1038/542172a
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