轴子和暗物质被发现了？先别急！

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撰文 | 周宇峰

几天前，国际暗物质探测实验合作组Xenon-1T 发表了最新的实验结果（预印本号：arXiv:2006.09721），文中显示其测量到了一些超出预期的事例，可能与轴子或暗物质有关。一时间引起了各类媒体的广泛关注，其中不乏“探测器发现潜在假想粒子“ 、”发现轴子的第一个直接证据“、”会是暗物质吗？“ 等科普解读文章。但这次实验结果究竟意味着什么？大家众说纷纭。其实，只要仔细看过实验组的论文摘要，便知这离真正的科学发现还有很长的一段距离。

Xenon-1T 的“发现”？

目前，大量的天文观测数据支持这样一种观念：宇宙中物质的主要成份是一种不发光的暗物质，它不是我们所熟悉的任何一种物质。暗物质无处不在，填满整个银河系。但暗物质和常规物质即使有相互作用，也及其微弱，目前还没有任何实验直接探测到了暗物质。当然，人类不会停止探测暗物质的脚步，目前世界上有很多暗物质探测实验，Xenon-1T 实验就是其中的领跑者。

Xenon-1T，顾名思义，就是利用约一吨的液氙作为探测靶物质来探测暗物质。液氙是一种闪烁体，我们身边飞过的暗物质粒子只要打在这一吨液氙中的任何一个氙原子上，就有可能发出闪光，光信号会被灵敏的仪器记录下来。原子由原子核和外围电子构成，因此暗物质可能打在原子核上，也可能打在电子上。两种碰撞产生的关联光信号区域有所不同。过去，Xenon-1T实验组曾在暗物质与核子碰撞的区域内做过研究，但并没有看到信号，因此这次他们想在暗物质与电子碰撞的信号区域里试一下运气。

Xenon-1T实验装置

实验原理图

这种实验探测的难度是非常大的，主要是要克服放射性本底。所谓本底，就是大量常规的物理过程产生的乏味信号，它们通常会掩盖真正的极其微弱的暗物质信号。如果说探测暗物质与原子核散射是海里捞针的话，那么，探测暗物质与电子散射就是大泥浆里捞针，遇到的本底要高得多，因此十分具有挑战性。这次Xenon-1T就在这方面发起了新的冲击，采用了更有效的本底去除办法，实现了更低的残留本底 (本底达到 76个事例/吨/年/keV)。经过一年的数据积累，他们测算出在指定信号区域（1-7keV）内的本底事例应该出现232个, 但最后实验却探测到了285个事例，一下子多出了53个事例！如果信号是来自一种叫“轴子”的理论预言的假想粒子，其统计置信度达到3.2 σ。也就是说，出现误判的可能性约是千分之一！这是否算是一个重大“发现“呢？很可惜，还不能算是。“发现”一词的使用在科学上是有严格要求的，一般要求置信度达到5σ，也就是出错的可能性低于约三百万分之一，才能称之为“发现”。因此，从置信度上看，离真正的“发现“还为时尚早，只能称之为“迹象”。

实验数据图

也许只是本底？

尽管这次Xenon-1T实验本底控制得非常出色，本底究竟是否是232个还是要打个问号的。前面说过，探测暗物质与电子散射就是大泥浆里捞针，遇到的放射性本底要高得多。虽然探测仪器已经放在地下1400米的意大利LNGS深地实验室以避免宇宙射线的干扰，仍然存在许多可能的放射性本底。比如容器材料里渗透出来的氡气的衰变产物，液氙里残留的氪，容器材料自身的放射性，太阳中微子，氙的几个放射性同位素等。研究发现氢的放射性同位素氚有可能是一个没考虑到的本底，而且可以产生类似的事例信号。氚可以来自液氙在进入地下之前被宇宙线轰击产生，实验容器上的附着含氚的水（HTO）和气体（HT）。由于氚的半衰期是12.5 年，如果有的话，很难短时间衰变掉。虽然从理论上讲可能性很小，但的确，没有证据显示不存在。所以实验组在论文中也实话实说：“我们不能确认是否在实验数据采集期间有氚的存在“。

太阳轴子？

“轴子”是为解释粒子物理中强相互作用中的电荷共轭-宇称反演破缺（CP破缺）问题而引入的一种理论上的假想粒子。轴子如果存在，可以很好的解释宇宙为何主要由物质组成，反物质难寻踪迹。这种粒子尽管受到了物理学家们的广泛关注和研究，但目前尚未被实验探测到。轴子不一定是暗物质粒子，但满足适当的条件后也是非常好的暗物质粒子候选者。太阳中的核反应可以产生轴子，因此很多实验瞄准探测来自太阳的轴子。Xenon-1T也具备探测轴子的能力，此次测量的事例的能谱可以被太阳产生的轴子很好的拟合，置信度是3.2 σ。然而， 这里也存在一些问题。一方面，拟合得出的轴子与电子的耦合强度比从其他观测如星体冷却得出的耦合强度大一千倍，存在明显的矛盾。另一方面，如果考虑可能存在的氚污染，则在最保守的情况下，置信度降低为2.1 σ，相应的误判率高达百分之三。在这么低的置信水平下，如果仍然相信是发现了轴子，在科学上是不严谨的。

实验数据图

结论是什么？

在对本底没有把握的情况下，一般只能给出最保守的结论。真正可靠的结论是：该实验在一定范围内给出了对一些暗物质模型的强有力限制，这是目前唯一站得住脚的结论。对科学家而言，这个实验结果最值得赞赏的地方是实现了Xenon-1T有史以来最好的暗物质电子碰撞参数区间的本底控制，展示了该实验组的能力和潜力。对公众而言，这也许算不上重大的科学发现，但这才是真正的科学“干货“。

最后，让我们期待Xenon-1T实验组的进一步探测为我们带来更多有关轴子和暗物质的讯息！

本文经授权转载自微信公众号“中国科学院理论物理研究所”。

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