不能重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是觀察錯(cuò)誤分析的結(jié)果。

為了捕捉暗物質(zhì)，包含碘化鈉晶體的模塊位于韓國的 COSINE-100 探測器內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)于 2016 年開始運(yùn)行。圖片來源：COSINE-100 協(xié)作

物理學(xué)家已經(jīng)證明，韓國的一項(xiàng)地下實(shí)驗(yàn)可以“看到”暗物質(zhì)流過地球——或不能，取決于其數(shù)據(jù)的切片方式。結(jié)果進(jìn)一步質(zhì)疑了幾十年前的說法，即另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)一直在探測這種神秘物質(zhì)。

8 月1日10 日發(fā)表在 arXiv 預(yù)印本服務(wù)器上的最新研究報(bào)告稱，COSINE-100 探測器進(jìn)行的某種類型的數(shù)據(jù)分析可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)。物理學(xué)家提出了一種類似的波動(dòng)作為暗物質(zhì)的特征，暗物質(zhì)是一種看不見但普遍存在的物質(zhì)，被認(rèn)為在宇宙中的含量是普通物質(zhì)的五倍。

意大利拉奎拉附近格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家尼古拉·羅西（Nicola Rossi）說：“如果你應(yīng)用了錯(cuò)誤的方法，你會(huì)看到他們的數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)，”他首先提出了這種解釋2020 年2 .

暗物質(zhì)信號(hào)

二十多年來，現(xiàn)在被稱為 DAMA/LIBRA 的實(shí)驗(yàn)也位于格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)一直在報(bào)告其探測器3的碘化鈉晶體記錄的閃光的年度波動(dòng)。這些事件的數(shù)量在 6 月達(dá)到頂峰，在 12 月見底，正如物理學(xué)家所預(yù)期的，如果暗物質(zhì)粒子充斥著銀河系。這是因?yàn)椋S著地球繞太陽運(yùn)行，它在銀河系中的速度在 6 月達(dá)到峰值，因此更多來自暗物質(zhì)暈的粒子會(huì)在那個(gè)時(shí)候撞擊 DAMA/LIBRA 探測器——就像更多的飛蟲撞擊汽車的擋風(fēng)玻璃一樣當(dāng)汽車移動(dòng)得更快時(shí)。

復(fù)制嘗試加深了暗物質(zhì)信號(hào)的奧秘

但迄今為止，許多其他基于各種其他技術(shù)的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)都沒有看到與 DAMA/LIBRA 兼容的信號(hào)。因此，為了對(duì)這一說法進(jìn)行終極檢驗(yàn)，在 2010 年代中期，物理學(xué)家開始制造由同種碘化鈉晶體制成的探測器。其中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果，韓國的 COSINE-100 Yangyang 地下實(shí)驗(yàn)室和西班牙比利牛斯山脈 Canfranc 地下實(shí)驗(yàn)室的 ANAIS-112，未能重現(xiàn)擋風(fēng)玻璃效應(yīng)。

盡管大多數(shù)物理學(xué)界都認(rèn)為 DAMA/LIBRA 的結(jié)果可能是虛假的，但為什么意大利實(shí)驗(yàn)在其記錄的事件中看到周期性的上下波動(dòng)的問題仍然存在。多年來，該合作令人信服地拒絕了許多提議的解釋。

改變背景

2020 年，在閱讀 DAMA/LIBRA 合作的論文時(shí)，Rossi 和他的同事注意到，所報(bào)告的波動(dòng)只是那些在假設(shè)的事件“背景”上發(fā)生的波動(dòng)，該團(tuán)隊(duì)將其視為實(shí)驗(yàn)性人工制品，例如在實(shí)驗(yàn)室或檢測器本身。

但羅西和他的合著者寫道，除非全年背景絕對(duì)不變，否則這可能是“一種危險(xiǎn)的方法”。擋風(fēng)玻璃效果應(yīng)該在背景中添加一個(gè)正弦項(xiàng)。但是，對(duì)背景進(jìn)行建模和減去的精確方式可能會(huì)影響數(shù)據(jù)的解釋方式，并可能產(chǎn)生虛假的暗物質(zhì)信號(hào)。

為了減去背景閃光，DAMA/LIBRA 團(tuán)隊(duì)每年對(duì)它們進(jìn)行平均，這可能會(huì)使剩余事件的數(shù)量看起來像鋸齒波。由于現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)點(diǎn)很嘈雜，羅西和他的同事在他們的 2020 年報(bào)告中寫道，很容易將波動(dòng)與暗物質(zhì)預(yù)期的正弦波類型混淆。研究人員還使用模擬數(shù)據(jù)表明，如果背景閃光的數(shù)量隨著時(shí)間的推移緩慢增加，他們可以制造出虛假的暗物質(zhì)信號(hào)。

結(jié)果重新創(chuàng)建

COSINE-100 合作現(xiàn)在對(duì)其晶體收集的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了類似的分析。韓國大田基礎(chǔ)科學(xué)研究所的物理學(xué)家、COSINE- 100。換句話說，隨著韓國實(shí)驗(yàn)的背景自然減弱，其“暗物質(zhì)”數(shù)量在 12 月初左右最高，而在 6 月初左右最低。

這留下了一個(gè)兩難的局面。暗物質(zhì)探測器和其他物理實(shí)驗(yàn)必須經(jīng)常與放射性物質(zhì)中的雜質(zhì)作斗爭，但隨著這些物質(zhì)的老化和放射性同位素的衰變，背景往往會(huì)變得更安靜，而不是更響亮?！霸黾颖尘笆欠浅２蛔匀坏模崩钫f。盡管如此，羅西和他的團(tuán)隊(duì)仍然認(rèn)為，一些影響，例如放射性雜質(zhì)從外部緩慢侵入探測器，原則上可能會(huì)導(dǎo)致背景增加效應(yīng)。

芝加哥大學(xué)暗物質(zhì)理論專家丹·胡珀 (Dan Hooper) 表示，無論哪種方式，數(shù)據(jù)分析都對(duì) DAMA/LIBRA 的說法造成了虛假波動(dòng)，“讓我覺得這是一個(gè)潛在的好——甚至可能——解釋”。伊利諾伊州。

有爭議的暗物質(zhì)主張面臨終極考驗(yàn)

羅馬 Tor Vergata 大學(xué)的物理學(xué)家兼 DAMA/LIBRA 發(fā)言人麗塔·伯納貝 (Rita Bernabei) 說，由于 DAMA/LIBRA 探測器是幾十年前建造的，并且一直保持在地下，因此放射性背景比最近建造的實(shí)驗(yàn)更加穩(wěn)定。“如果存在任何來自降低速率的小假設(shè)貢獻(xiàn)，它可能會(huì)降低觀察到的調(diào)制幅度，但它永遠(yuǎn)不會(huì)像我們觀察到的那樣產(chǎn)生正信號(hào)，”她補(bǔ)充道。該合作還在一篇論文4中駁斥了羅西團(tuán)隊(duì)的論點(diǎn)，稱他們的假設(shè)“站不住腳”，他們的結(jié)論“毫無價(jià)值”。

物理學(xué)界一再呼吁 DAMA/LIBRA 團(tuán)隊(duì)披露更多數(shù)據(jù)，特別是提供閃光的總數(shù)。伯納貝表示，這“并沒有增加任何有用的信息”。但增加的透明度可能對(duì)合作有好處，羅西說：如果完整的背景計(jì)數(shù)在時(shí)間上確實(shí)是恒定的，它將增加團(tuán)隊(duì)聲稱看到正弦波動(dòng)的可信度。“如果 DAMA 合作更加開放，那么很久以前就可以解決這個(gè)問題，”Hooper 說。

與此同時(shí)，復(fù)制暗物質(zhì)檢測的嘗試仍在繼續(xù)。西班牙薩拉戈薩大學(xué)的發(fā)言人 Maria Luisa Sarsa 說，本月早些時(shí)候，ANAIS-112 完成了五年的數(shù)據(jù)收集并正在進(jìn)行分析。這些數(shù)據(jù)足夠敏感，它們可能會(huì)以高統(tǒng)計(jì)置信度排除 DAMA/LIBRA 結(jié)果。幾年后，這種信心可能會(huì)上升到五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，這通常是物理結(jié)果被認(rèn)為是可靠的閾值。