暗物质观察实验可能存在错误

暗物质观察实验可能存在错误

不能重复的实验结果可能是观察错误分析的结果。

为了捕捉暗物质,包含碘化钠晶体的模块位于韩国的 COSINE-100 探测器内。该实验于 2016 年开始运行。图片来源:COSINE-100 协作

物理学家已经证明,韩国的一项地下实验可以“看到”暗物质流过地球——或不能,取决于其数据的切片方式。结果进一步质疑了几十年前的说法,即另一项实验一直在探测这种神秘物质。

8 月1日10 日发表在 arXiv 预印本服务器上的最新研究报告称,COSINE-100 探测器进行的某种类型的数据分析可能会导致结果出现季节性波动。物理学家提出了一种类似的波动作为暗物质的特征,暗物质是一种看不见但普遍存在的物质,被认为在宇宙中的含量是普通物质的五倍。

意大利拉奎拉附近格兰萨索国家实验室的实验粒子物理学家尼古拉·罗西(Nicola Rossi)说:“如果你应用了错误的方法,你会看到他们的数据出现波动,”他首先提出了这种解释2020 年2 .

暗物质信号

二十多年来,现在被称为 DAMA/LIBRA 的实验也位于格兰萨索国家实验室,该实验一直在报告其探测器3的碘化钠晶体记录的闪光的年度波动。这些事件的数量在 6 月达到顶峰,在 12 月见底,正如物理学家所预期的,如果暗物质粒子充斥着银河系。这是因为,随着地球绕太阳运行,它在银河系中的速度在 6 月达到峰值,因此更多来自暗物质晕的粒子会在那个时候撞击 DAMA/LIBRA 探测器——就像更多的飞虫撞击汽车的挡风玻璃一样当汽车移动得更快时。


复制尝试加深了暗物质信号的奥秘

但迄今为止,许多其他基于各种其他技术的暗物质实验都没有看到与 DAMA/LIBRA 兼容的信号。因此,为了对这一说法进行终极检验,在 2010 年代中期,物理学家开始制造由同种碘化钠晶体制成的探测器。其中两个实验的初步结果,韩国的 COSINE-100 Yangyang 地下实验室和西班牙比利牛斯山脉 Canfranc 地下实验室的 ANAIS-112,未能重现挡风玻璃效应。

尽管大多数物理学界都认为 DAMA/LIBRA 的结果可能是虚假的,但为什么意大利实验在其记录的事件中看到周期性的上下波动的问题仍然存在。多年来,该合作令人信服地拒绝了许多提议的解释。

改变背景

2020 年,在阅读 DAMA/LIBRA 合作的论文时,Rossi 和他的同事注意到,所报告的波动只是那些在假设的事件“背景”上发生的波动,该团队将其视为实验性人工制品,例如在实验室或检测器本身。

但罗西和他的合著者写道,除非全年背景绝对不变,否则这可能是“一种危险的方法”。挡风玻璃效果应该在背景中添加一个正弦项。但是,对背景进行建模和减去的精确方式可能会影响数据的解释方式,并可能产生虚假的暗物质信号。

为了减去背景闪光,DAMA/LIBRA 团队每年对它们进行平均,这可能会使剩余事件的数量看起来像锯齿波。由于现实生活中的数据点很嘈杂,罗西和他的同事在他们的 2020 年报告中写道,很容易将波动与暗物质预期的正弦波类型混淆。研究人员还使用模拟数据表明,如果背景闪光的数量随着时间的推移缓慢增加,他们可以制造出虚假的暗物质信号。

结果重新创建

COSINE-100 合作现在对其晶体收集的真实数据进行了类似的分析。韩国大田基础科学研究所的物理学家、COSINE- 100。换句话说,随着韩国实验的背景自然减弱,其“暗物质”数量在 12 月初左右最高,而在 6 月初左右最低。

这留下了一个两难的局面。暗物质探测器和其他物理实验必须经常与放射性物质中的杂质作斗争,但随着这些物质的老化和放射性同位素的衰变,背景往往会变得更安静,而不是更响亮。“增加背景是非常不自然的,”李说。尽管如此,罗西和他的团队仍然认为,一些影响,例如放射性杂质从外部缓慢侵入探测器,原则上可能会导致背景增加效应。

芝加哥大学暗物质理论专家丹·胡珀 (Dan Hooper) 表示,无论哪种方式,数据分析都对 DAMA/LIBRA 的说法造成了虚假波动,“让我觉得这是一个潜在的好——甚至可能——解释”。伊利诺伊州。


有争议的暗物质主张面临终极考验

罗马 Tor Vergata 大学的物理学家兼 DAMA/LIBRA 发言人丽塔·伯纳贝 (Rita Bernabei) 说,由于 DAMA/LIBRA 探测器是几十年前建造的,并且一直保持在地下,因此放射性背景比最近建造的实验更加稳定。“如果存在任何来自降低速率的小假设贡献,它可能会降低观察到的调制幅度,但它永远不会像我们观察到的那样产生正信号,”她补充道。该合作还在一篇论文4中驳斥了罗西团队的论点,称他们的假设“站不住脚”,他们的结论“毫无价值”。

物理学界一再呼吁 DAMA/LIBRA 团队披露更多数据,特别是提供闪光的总数。伯纳贝表示,这“并没有增加任何有用的信息”。但增加的透明度可能对合作有好处,罗西说:如果完整的背景计数在时间上确实是恒定的,它将增加团队声称看到正弦波动的可信度。“如果 DAMA 合作更加开放,那么很久以前就可以解决这个问题,”Hooper 说。

与此同时,复制暗物质检测的尝试仍在继续。西班牙萨拉戈萨大学的发言人 Maria Luisa Sarsa 说,本月早些时候,ANAIS-112 完成了五年的数据收集并正在进行分析。这些数据足够敏感,它们可能会以高统计置信度排除 DAMA/LIBRA 结果。几年后,这种信心可能会上升到五个标准差,这通常是物理结果被认为是可靠的阈值。