探测暗物质的实验，也发生了类似的意外。

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发布于2023-04-16

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探测暗物质的实验，也发生了类似的意外。

XENON1T设备

XENON1T是一个暗物质勘探项目，其设备位于意大利格兰萨索国家实验室的地下1400米处。虽然暗物质粒子没有现身，但XENON1T却获得了意料之外的发现。在本周《天然》期刊的一项研讨中，XENON1T团队发现了迄今为止最为稀有的作业：半衰期长达1.8x1022年，相当于万亿倍国际寿数的氙124衰变。这个意外发现，或许能为咱们揭开中微子的性质之谜。

许多时分，做物理实验像守株待兔，兔子不一定会来

比如几十年前，日本的小柴昌俊在日本神冈的一个扔掉的地下矿井里，用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管勘探质子衰变的信号。他们极力了良久，但神冈实验没有找到质子衰变。等得时间越长，越能供认质子的寿数，终究供认质子的寿数大于1033年。

但是，守得云开见月明。1987年，16万光年之外的超新星爆发，小柴昌俊那几千吨纯净水勘探到了超新星中微子。因为这个贡献，他在2002年得了诺贝尔物理学奖这就是来自16万光年之外的礼物。

勘探暗物质的实验，也发生了类似的意外。

寻找WIMP

在意大利格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory），有一个勘探暗物质粒子的项目XENON1T。这个实验室与日本神冈小柴昌俊当年的实验室很像，也是很深的地下井，也需求用到很纯的液体勘探器。

格兰萨索国家实验室外景

只不过，日本神冈用的是纯净水，而意大利的XENON1T用的是纯度极高的液氙。氙（Xe）是一种惰性气体，一般被轿车改装者用做氙灯，氙灯可以亮瞎对面车道上的车主。这种惰性元素，是怎样用来勘探奥妙的暗物质粒子的？

需求侧重的是，暗物质粒子的理论模型非常多，寻找暗物质粒子犹如在茫茫人海中找人。直到现在，咱们甚至连暗物质的名字终究是什么都不知道。有的人说暗物质叫WIMP，有的人说暗物质叫Axion公说公有理，婆说婆有理。

在许多暗物质理论模型中，有一种质量在1GeV~1000GeV量级（作为对比，咱们知道质子的质量靠近1GeV）的候选暗物质粒子格外受物理学家喜欢，这个粒子就是弱彼此作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，简称WIMP）。

上海交通大学物理与地舆学院博士后张佳骏告诉《全国际科学》记者：WIMP是一类盛行的暗物质候选者。在国际热大爆炸模型中，跟着前期炽热的国际逐渐胀大并冷却，暗物质粒子与其他粒子解耦合并且长时间安稳留存到今天。只需暗物质粒子具有相当于弱彼此作用的反应截面，或许说它可以参与弱彼此作用，并且它们还比较重（静质量大于1GeV），在广泛的质量范围内（从GeV直到TeV量级），都能天然地说明现在地舆观测到的暗物质的密度。这就是WIMP得名的原因参与弱彼此作用并且质量大。而WIMP在热大爆炸国际模型中关于国际暗物质密度的成功说明就被俗称为WIMP奇迹。

可以看出，WIMP必定比质子重，因此假设要让它去撞一个原子核，假定这个被撞的原子核质量与WIMP差不多，那么就或许发生弹性磕碰，可以把被撞的原子核加快到很高的速度。这个被撞的原子核获得这些动能后可以运动起来，终究撞上其他物质而发光，科学家可以通过宣告的光来核算WIMP的质量与其彼此作用的截面。

在具体的操作中，有一部分科学家就选择了氙原子核作为被撞方针。氙是54号元素，实验选用的是半衰期最长的同位素氙124。氙原子核与WIMP的质量是靠近的，因此可以关公战张飞，而不是关公战蚂蚁，这看起来也许是一幕好戏。

当然在质量比较小的暗物质粒子的理论中，比如所谓的轴子（Axion）质量就在eV-keV量级，这个就不能去撞氙原子核来做实验了，因为氙原子核对轴子来说太重了，轴子撞上去犹如蚍蜉撼大树。

液氙所要勘探的，就是WIMP。

XENON1T的实验设备位于地下1400米深，内部有一个装有3.2吨液氙的巨形水槽。假设暗物质粒子WIMP存在，它的穿透才干极强，那么WIMP可以穿到地下与水槽中的氙原子核磕碰，这种磕碰会发生一同的发光信号，科学家希望捕捉到这一小概率作业。

XENON1T实验设备内部

液氙意外衰变

本来科学家认为，液氙是非常安稳的，它就好像守株待兔这个故事里的株静静等候暗物质粒子这个兔来碰击它。

但是，意外发生了。

最近，在XENON1T协作组的科学家发现，兔子没等到，株却变了。

在本周宣告在《天然》杂志上的一篇论文中，XENON1T的研讨人员宣告观察到氙124的放射性衰变。氙124变成了碲124，原子序数从54号元素变成了52号元素。

这作业是怎样发生呢？简略地说就是一个电子捕获进程。

电子捕获在白矮星与中子星构成进程中非常常见，因为强引力的作用，原子核会捕获电子，然后放出中微子。但是，在正常的环境下，假设没有健壮的引力加持，那么原子核自发地捕获电子的概率很低咱们也可以用反证法来看这个作业，假设这个概率很高，那么咱们人类就不会存在。人体的大部分是水，假设水分子里的氢原子核自发捕获核外电子，那么就会变成中子。水分子里的氧原子核假设自发捕获电子，那么就会变成在元素周期表上相邻的氮或许碳。咱们人类就会被中子化或许碳化。

所以，自发捕获电子，对液氙的原子核来说，也只是小概率作业。氙124的半衰期为1.8x1022年。

不过，最近科学家发现了液氙原子核捕获电子后发生衰变的现象。

中微子性质之谜

XENON1T实验组的液氙一口气居然捕获了两个电子。

这作业就大了。

咱们知道，原子核是带正电的，当它遽然吸收两个电子往后，原子核内的质子与电子会结合构成中子。这个进程发生往后，学术界有两种观念。

第一种观念认为原子核已然吃进两个电子，它应该放出两个中微子。这叫做双中微子双电子捕获（2ECEC）。

其他一种观念认为，原子核吃了两个电子，但不会宣告中微子，这叫做无中微子双电子捕获（0ECEC）。

2ECEC进程示意图

其间第一个观念是支撑粒子物理的标准模型的，而第二个观念则是违反粒子物理标准模型的，这说明中微子是马约拉纳粒子也就是说中微子的反粒子就是它自己。

张佳骏说：XENON1T实验组的条件仍是比较有限的，他们虽然没有条件勘探到中微子，但他们有许多光电倍增管，可以勘探到这个进程中的X射线与俄歇电子激起的光信号。从光信号的能量分析来看，他们支撑的是第一种观念，也就是说他们认为已经有中微子释放出去了。

从物理图像上来看，只需当两个电子恰好在正确的时间一同紧靠原子核时，才会发生双电子捕获，这是一种稀有的现象再乘以另一种稀有的现象，使它终究变得极点稀有。从费曼图的角度来说，两个中微子双电子捕获是一个二阶弱彼此作用进程，其概率极小，假设不是要许多的液氙，观测到这种现象的时间远超国际的年岁。