科学家认为暗物质实验发出的信号可能预示着新的物理学原理

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XENON1T实验旨在寻找暗物质的粒子,这种神秘的物质被认为比常规物质多五倍。既然暗物质应该无处不在,那么XENON1T就会留意其粒子与常规物质相互作用的罕见情况。为此,它盯着一个装满几吨液态氙的巨大罐子。当外界一些粒子条纹穿过罐体时,会激发氙原子,产生闪光和自由电子,XENON1T可以检测到。

不过不仅仅是暗物质能做到这一点,已知的粒子也能触发类似的信号。为了过滤掉这些,科学团队计算出预计会有多少背景事件,然后检查是否有比这更多的信号。果然,现在团队报告的事件 "出奇的多"。预期的背景是这一时期的232个事件,但在此基础上又发现了53个事件。这是一个巨大的数字,说明肯定有蹊跷。但是,这到底是什么呢?

研究人员表示,有三种可能的解释。第一种说法是,这可能只是一个未被识别的背景干扰源。该信号与罐中的氚杂质一致,只需要10个七亿氙原子中的几个氚原子,就能产生所见的过量信号。令人沮丧的是,没有任何仪器能敏感地检测到罐中如此微小的氚含量,所以不能排除这种可能性。

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此外该团队表示,最适合数据的是一种被称为轴子的假想基本粒子,特别是由太阳产生的粒子。这些粒子在20世纪70年代首次被提出来解决所谓的“强CP破坏”问题。后来人们认定,如果它们有一定的质量,几十亿年前产生的轴子就可以解释我们归于暗物质的怪异。

虽然这些特定的太阳轴子不会是暗物质的候选者,但如果得到证实,这仍将标志着首次发现任何一种轴子。这本身就是一个巨大的发现,可以说明其他类型的轴子比其他假想粒子更可能是暗物质。

第三种解释是,这些信号来自于此前未知的中微子特性。这些超轻基本粒子无处不在,很少与其他物质发生相互作用,但偶尔也会发生。如果它们在这个实验中与氙子相互作用,信号表明它们的磁矩比粒子物理学标准模型描述的要大。这本身就需要新的物理学来解释。

该团队表示,在可能性方面,太阳轴子是领跑者。这个假设的统计学意义为3.5 sigma,也就是说,观察结果有万分之二的概率是随机的。高到这个程度,科学家们通常需要5位数的意义才能 "确定"。其他两个假设被认为可能性稍小,其显著性均为3.2 sigma。

究竟在那个地下大罐中观察到了什么,目前还是一个谜,但实验的升级版可能会有答案。下一阶段被称为XENONnT,其活跃的氙气质量将是前一版本的三倍,背景噪音应该更小。

该研究预印本目前已在ArXiv上公布。

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