暗物质搜寻逼近“中微子迷雾”:地下探测器首次捕捉太阳中微子信号

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科学界普遍认为,可见物质仅占宇宙物质总量约5%。大量不可见成分通过引力等效应影响星系等天体结构,但其本质仍未被确认,这一未知成分被称为暗物质。

地下探测器持续加码,暗物质仍未“现身”

围绕暗物质的直接探测,主流路径之一是寻找假设粒子WIMP(弱相互作用大质量粒子)。为捕捉其可能产生的极微弱信号,多国团队在深地下部署专用探测器,通过厚重岩层屏蔽宇宙射线等干扰。

这类装置通常采用液态氙等介质:当外来粒子与探测器内原子核或电子发生相互作用时,可能产生可被记录的闪烁光或电离信号。过去20多年里,尽管相关实验灵敏度不断提高,但尚未出现被普遍认可的暗物质直接探测结果。研究人员表示,这些“未发现”同样具有意义,可用于收缩暗物质可能参数空间,明确其“不是什么”。

“不可约背景”浮现:中微子开始干扰暗物质信号

随着探测器灵敏度逼近更低阈值,另一类几乎不与物质相互作用的粒子——中微子——开始成为关键背景来源。中微子可来自太阳核心、宇宙射线与大气相互作用、恒星爆发以及核反应堆等。科学界早在1956年就首次探测到中微子,相关研究此后持续推进。

研究人员指出,中微子在探测器中引发的散射事件,可能在观测上与某些暗物质信号相似,从而形成难以消除的背景,被称为“中微子迷雾”。悉尼大学天体粒子物理学家Theresa Fruth表示,中微子曾被视为暗物质候选之一,但由于质量过轻,已不可能构成暗物质主体;然而在直接探测实验中,它们会留下与暗物质相近的“印记”。

2024年两项实验“触及迷雾”,LZ在2025年报告更高显著性结果

2024年,中国锦屏地下实验室的PandaX-4T与意大利格兰萨索国家实验室的XENONnT报告称,首次在各自的液态氙探测器中观测到太阳中微子与原子核碰撞的候选事件,涉及硼-8太阳中微子。

据报道,PandaX-4T记录到75个相关事件,XENONnT记录到11个。两项结果的统计显著性均接近但未达到3σ(约0.3%的概率为偶然波动)。清华大学物理学家、XENONnT合作组成员Fei Gao表示,两项结果出现偶然的可能性很低,且具备预期的中微子信号特征。

2025年12月,美国南达科他州的LUX-ZEPLIN(LZ)探测器团队发布预印本称,首次以4.5σ显著性探测到太阳中微子信号。LZ团队成员、墨尔本大学暗物质物理学家Robert James表示,这一进展意味着相关实验正进入“迷雾”区域,中微子背景开始成为现实问题。

影响与边界:对特定搜索构成限制,也带来新的观测能力

研究人员强调,“中微子迷雾”被视为暗物质直接探测中的“不可约背景”,类似夜间雾中行车会降低辨识度。但目前这一影响主要针对特定类型的潜在暗物质信号,暗物质搜索仍存在广泛空间。

同时,暗物质探测器对太阳中微子的可探测性,也为其他科学目标打开窗口。Fruth指出,随着探测器具备更强的区分能力、更低的本底与更高灵敏度,研究团队不仅能继续推进暗物质搜寻,也可能利用这些装置研究太阳内部核聚变等过程。

澳大利亚地下实验室推进新项目,路径与液态氙实验不同

在澳大利亚维多利亚州西部的斯托威尔地下物理实验室(SUPL),一项名为SABRE South的暗物质实验计划于今年晚些时候启动。报道指出,该项目的探测方案与南达科他、中国或意大利的液态氙装置不同,其团队将尝试复现约20年前意大利科学家获得的相关结果,并在未来几年内完成设备安装与运行。

研究人员表示,暗物质探索在很大程度上是一条持续排除的道路:即便结果是排除某些可能性,也能为下一代实验设计提供方向。


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