塞在意大利山坡上的XENON1T探测器，正在寻找宇宙中一种被称为暗物质的神秘物质的迹象，最近在数据中发现了一个无法用现有模型解释的新变化。
来自芝加哥大学、加州大学圣迭戈分校和苏黎世大学的物理学家们对这个多余的信号进行了分析，并通过氙合作小组的审查，结果表明这可能是新物理的证据——或者是一种意想不到的放射性污染物。结果在6月17日的一次研讨会上公布。
“过度信号总是令人兴奋的!”有时你会发现过量只是由于未知的背景，或者它可能是一个关于我们宇宙的基本新发现的标志，”Assoc说。卢卡·格兰迪教授是该研究的合著者。他说:“我们看到的是明显超出我们预期的结果;然而，XENON1T不够敏感，无法区分各种潜在的来源。”
氙气项目是全球160多名科学家的合作项目，他们试图揭开暗物质的神秘面纱。该小组正在努力建造名为XENONnT的下一代探测器。当更灵敏的探测器开始收集数据时(可能在今年年底)，科学家们希望弄清楚是哪一种假设导致了低能量下的过量信号。
氙对新物理学的探索
暗物质构成了宇宙中绝大多数的物质，但科学家们仍然不知道这种外来物质的性质。它不会阻挡或发光，也很少与构成我们在宇宙中所能看到的一切的普通物质相互作用。
为了捕捉这种难以捉摸的物质，氙合作组织的科学家们建造了世界上最灵敏的暗物质探测器——氙1t。这个巨大的探测器充满了超过三吨的液态氙，它被一个三层楼高的超纯水容器保护着，不受辐射的伤害，它被安置在意大利格兰萨索国家实验室山下的一个地下实验室里。
在这个独特的原始环境中，一种叫做时间投射室的仪器可以监测当亚原子粒子与氙池相互作用时所触发的光和电荷信号。如果一个暗物质粒子与氙原子碰撞，理论上应该会在数据中显示出来。虽然这个由芝加哥大学科学家设计和维护的密室极其敏感，但这些相互作用事件却极其罕见——它需要将近一年的时间来收集足够的数据进行深入研究。
氙1t的氙填充室是由高纯度材料制成的，但组成探测器本身的材料仍不可避免地会产生一定程度的背景辐射。
“我们做了大量的分析来预测探测器的背景，以及预期的速率和能量，”芝加哥大学研究生埃文·肖克利说，他是这项研究的三位通讯作者之一。“然后我们可以将这些预测与数据进行比较，看看它们是否一致。”
但是在仔细考虑了这些数据后，肖克利和他的同事们得出结论，在低能量情况下，信号高于预期的背景，并且不能用任何现有的模型或已知的污染源来解释。
在长达一年的实验中，有53个无法解释的事件——足够重要，但不足以区分背景污染物和物理突破。
格兰迪说:“当你把探测器的灵敏度推到寻找这些难以捉摸的粒子的极限时，你有时会遇到你以前没有考虑到的意想不到的背景。”“XENONnT，我们正在准备运行的更大的探测器，应该会对这个问题有所帮助，并帮助我们区分各种解释。”
可能的候选人
氙气1t探测器的设计主要是为了寻找一些信号，这些信号可能表明暗物质可能存在的主要候选者之一——大而重的粒子，即所谓的弱相互作用大质量粒子(WIMPs)。
但是这种超灵敏的探测器还可以接收到其他信号，这些信号可以让我们了解宇宙。他们看到的信号有两种可能:一种是来自太阳的假想粒子，称为太阳轴子;或者被称为中微子的粒子也来自太阳，但具有意想不到的磁性。如果这个测量结果确实与这些奇异粒子中的任何一个相对应，这将是一个革命性的发现，并回答了有关我们宇宙物理学的一些最突出的问题。
“我们的数据最有力地支持了太阳轴子假说。然而，如果我们确实观测到了太阳轴子的相互作用，我们观测到的轴子的特性将与天体物理观测的结果形成对比。
但另一种可能性是，信号实际上与探测器中意外的污染物有关。肖克利解释说，多余的信号看起来类似于氚放射性衰变产生的能量模式。“氚是一个有两个中子的氢原子，”他说。“这种情况并不常见。但由于我们的探测器非常灵敏，即使探测器中存在几个氚原子，也可能导致我们观察到的那种过量。(他和其他研究人员之前没有寻找过氚污染，因为氚非常罕见，人们认为它不可能存在于他们的超纯材料中。)
用目前的数据还无法分辨出是哪一个，但当氙合作的最新暗物质探测器XENONnT在今年晚些时候投入使用时，格兰迪和他的团队可能会得到明确的答案。
氙气升级为更高的灵敏度
目前，XENON1T已经是世界上最灵敏的暗物质探测器。为了进一步提高它的性能，格兰迪团队和芝加哥大学研究工程师经理本·斯蒂尔维尔对探测器进行了改进，使其灵敏度提高了10倍。升级后的氙气探测器将更快地完成测量，并具有更好的信号质量。
“为了提高灵敏度，我们增加了探测器的尺寸，以允许三倍多的氙。我们也做了很多工作来仔细选择我们使用的材料，并进一步改进探测器的设计以减少背景，”芝加哥大学博士后、XENON1T和XENONnT分析协调员Jacques Pienaar解释说。
2020年初，皮纳尔和格兰迪在格兰萨索领导建造了XENONnT的时间投影室。由于新冠肺炎的威胁在意大利不断扩大，他们设法在隔离封锁几天后完成了新型探测器的建造。探测器现在处于稳定、清洁的状态，最后的准备工作将在今年晚些时候进行。