暗物质是一种不可见的物质，构成了我们宇宙的大部分质量，弄清暗物质的本质是物理学中最大的难题之一。世界上最灵敏的暗物质探测器LUX-ZEPLIN(LZ)的最新结果缩小了暗物质主要候选者之一的可能性：弱相互作用大质量粒子(WIMP)。

LZ由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)领导，在南达科他州桑福德地下研究设施地下近一英里的洞穴中搜寻暗物质。该实验的新结果探索了比以往研究过的更弱的暗物质相互作用，并进一步限制了WIMP的可能。

LZ发言人、伦敦大学学院(UCL)教授ChamkaurGhag表示：“这些新发现在暗物质和WIMP方面领先于世界。”他指出，探测器和分析技术的表现甚至比合作预期的还要好。

“如果WIMP位于我们搜索的区域内，我们就能有力地说明一些有关它们的情况。我们知道，我们有足够的灵敏度和工具来查看它们是否存在，因为我们在搜索较低能量区域，并积累了这项实验的大部分寿命。”

此次合作没有发现任何证据显示存在质量超过9千兆电子伏特/c2(GeV/c2)的WIMP粒子。(相比之下，质子的质量略小于1GeV/c2。)该实验对微弱相互作用的敏感性有助于研究人员排除与数据不符的潜在WIMP暗物质模型，从而大大减少WIMP粒子的藏身之处。

8月26日，新成果在两场物理学会议上公布：诺伊州芝加哥的TeV粒子天体物理学2024和巴西圣保罗的LIDINE2024。论文将在未来几周内发表。

光电倍增管阵列，用于检测LZ液态氙探测器内发生的粒子相互作用信号。图片来源：MatthewKapust/桑福德地下研究设施

结果分析了280天的数据：一组新的220天数据(收集于2023年3月至2024年4月之间)与LZ首次运行之前的60天数据相结合。该实验计划在2028年结束前收集1,000天的数据。

“如果你把寻找暗物质比作寻找宝藏，那么我们挖的深度几乎是过去任何人挖的深度的五倍，”LZ副物理协调员、德克萨斯大学奥斯汀分校教授斯科特·克拉维茨(ScottKravitz)说。“这不是用一百万把铲子就能做到的事情——你需要发明一种新工具才能做到。”

LZ的灵敏度来自于探测器可以减少背景(可以伪装或隐藏暗物质相互作用的虚假信号)的无数方法。探测器位于地下深处，可以屏蔽来自太空的宇宙射线。

为了减少日常物品的自然辐射，LZ由数千个超洁净、低辐射部件组成。该探测器的结构像洋葱一样，每一层要么阻挡外部辐射，要么跟踪粒子相互作用以排除暗物质模拟。而先进的新分析技术有助于排除背景相互作用，特别是来自最常见的罪魁祸首：氡的相互作用。

这也是LZ首次应用“加盐”技术，即在数据收集过程中添加虚假WIMP信号。通过伪装真实数据直到最后“去盐”，研究人员可以避免无意识的偏见，并避免过度解释或改变他们的分析。

“我们正在将边界推向人们以前从未寻找过暗物质的领域，”LZ物理协调员、伯克利实验室最近的张伯伦研究员、现任密歇根大学助理教授的斯科特·哈泽尔施瓦特(ScottHaselschwardt)说道。“人类倾向于希望在数据中看到模式，因此当你进入这个新领域时，不要有偏见，这一点非常重要。如果你有所发现，你会希望它是正确的。”

暗物质之所以得名，是因为它既不发射、反射也不吸收光。据估计，它占宇宙质量的85%，但从未被直接探测到，尽管它在多个天文观测中留下了痕迹。如果没有这个神秘而又基本的宇宙组成部分，我们就不会存在;暗物质的质量有助于引力，帮助星系形成并保持在一起。

LZ使用10吨液态氙来提供致密透明的物质，以便暗物质粒子可以与之碰撞。人们希望WIMP能撞击氙核，使其移动，就像台球击中主球一样。通过收集相互作用过程中发出的光和电子，LZ可以捕获潜在的WIMP信号以及其他数据。

“我们已经证明了我们作为WIMP搜索机器的强大实力，而且我们将继续运行并不断改进——但我们可以用这个探测器做很多其他的事情，”WIMP搜索工作负责人、伦敦大学学院助理教授艾米·科特尔(AmyCottle)说。

“下一阶段将利用这些数据研究其他有趣且罕见的物理过程，如氙原子的罕见衰变、无中微子双β衰变、来自太阳的硼-8中微子以及其他超出标准模型的物理。此外，还将探索过去20年中一些最有趣且以前无法接近的暗物质模型。”

LZ是由来自美国、英国、葡萄牙、瑞士、韩国和澳大利亚的38个机构的约250名科学家合作完成的;这项创纪录实验的构建、作和分析工作大部分是由早期职业研究人员完成的。

该合作项目已开始着手分析下一组数据，并使用新的分析技巧来寻找质量更低的暗物质。科学家们还在考虑可能的升级方法，以进一步改进LZ，并计划开发下一代暗物质探测器XLZD。

“我们寻找暗物质的能力正在以比摩尔定律更快的速度提高，”克拉维茨说。“如果你看指数曲线，以前的一切都不值一提。等着看接下来会发生什么吧。”