30年前的信号是否是暗物质留下的痕迹? 科学家终于找到了答案

物理学家们花了将近三十年时间争论同一个问题:1997年意大利DAMA实验捕捉到的那个神秘信号,究竟是不是暗物质留下的痕迹?

现在,答案几乎可以确定:不是。

故事要从地下实验室说起。1997年,位于意大利格兰萨索山地下实验室的DAMA/NaI实验报告了一个奇异的现象:探测器记录到的信号强度每年呈现出有规律的波动,六月前后达到峰值,十二月前后降至低谷。

这种年度调制模式让一部分物理学家兴奋不已。按照主流的暗物质理论,地球在绕太阳公转时,相对于弥漫在银河系中的暗物质晕,速度会周期性地变化。六月时地球运动方向与太阳绕银河系运动方向叠加,探测器"迎头撞上"的暗物质粒子最多,信号理应最强。DAMA观测到的波动,在时间节点上与这个预测高度吻合。

后续升级版本DAMA/LIBRA延续了同样的观测结果,显著性水平不断攀升,最终超过12个标准差,在粒子物理学领域,这已经是极强的统计置信度。

但麻烦也随之而来。其他采用不同探测材料的暗物质实验,包括LUX、XENON1T、PandaX等,始终没能看到任何对应信号。理论模型也难以自洽地解释DAMA的结果。多数物理学家持保留态度,但始终无法给出决定性的反驳,因为没有任何实验用完全相同的方法和材料重复过这个实验。

这个悬案就这样悬了将近三十年。

打破僵局的,是两个专门为此而生的实验。

西班牙的ANAIS-112和韩国的COSINE-100都选择使用与DAMA相同的碘化钠晶体作为探测靶材,同时在屏蔽设计和背景噪声压制上做了大量改进。这是科学史上一次教科书式的"同行复核":用几乎相同的工具,在完全独立的环境下重复同一个实验。

ANAIS-112的早期数据在2021年就已经显示出令人生疑的结果,但样本量和运行时间还不够充分。真正的转折点,是研究团队将两个实验积累多年的完整数据集合并分析。

联合分析的结论发表在《物理评论快报》上,结果相当清晰:在与DAMA信号对应的能量范围内,两个实验均未探测到任何显著的年度调制信号。

暗物质解释,被正式排除。

值得注意的是,这并不意味着DAMA的实验团队造假或犯了低级错误。碘化钠晶体本身存在放射性本底,探测器的温度、宇宙射线通量等诸多环境因素也会随季节变化,这些都可能制造出类似年度调制的假信号。真正的问题在于,DAMA的结果是否来自这些系统误差而非暗物质,现在答案已经相当明确。

这类"否定性结果"在科学报道中常常得不到足够的重视,但物理学家清楚它的价值。

长达三十年的DAMA争议,实际上在暗物质搜寻的议程上悬挂着一块沉重的铅坠。每一个新的实验团队都必须回答同一个问题:你们的结果和DAMA兼容吗?理论学家也不得不构建各种牵强的模型,试图同时解释DAMA看到的和其他实验没看到的。

现在这个铅坠终于被摘掉了,领域可以轻装前行。

暗物质研究的焦点正在向两个方向转移。其一是更轻质量的暗物质候选者,传统的弱相互作用大质量粒子(WIMP)在多轮大型实验的围堵下生存空间越来越小,轴子、隐光子等轻量级候选粒子正受到越来越多的关注。其二是更灵敏的下一代探测器,包括正在建设中的XENONnT和LZ实验,它们的灵敏度比前辈提高了数个量级。

暗物质依然是宇宙中最大的谜题之一,占据宇宙全部物质的约85%,却从未被直接探测到。三十年前那个信号的消失,不是终点,而是下一轮搜寻的清场。


(科技责编:拓荒牛 )