義大利格蘭薩索山脈深處，是世界上最敏感的地區實驗有了驚人的發現。不，這不是暗物質。相反，該實驗檢測到的粒子交互作用事件比預測的要多得多。粒子物理學。
從 2017 年 2 月到 2018 年 2 月，XENON1T 暗物質實驗檢測到了 285 個低能量事件，而不是一年數據中預期的 232 ± 15 個低能事件，比預測多了 53 個，遠遠超出了誤差範圍。
令人興奮的是，參與合作的大型國際物理學家團隊並不知道是什麼導致了過量，儘管他們自 2018 年以來一直在研究結果。
經過仔細考慮，他們將自己的選擇歸結為三種可能性：一種相當平常……另兩種將對我們對基礎物理學的理解產生巨大影響。
研究人員在 6 月 17 日的線上研討會上展示了他們的發現準備了一張紙目前正在預印。
“我們觀察到超過三西格瑪的過量，但我們不知道它是什麼，”物理學家埃文·蕭克利說芝加哥大學的。
XENON1T 是一個充滿 3.2 噸超純液態氙的罐，並配有光電倍增管陣列。它是完全密封和完全黑暗的，以便檢測兩個粒子相互作用時產生的閃爍和電致發光，產生微小的閃光和從氙原子中噴射出的微小電子簇射 - 也就是所謂的電子反沖。
由於大多數這些相互作用是由已知粒子發生的，因此估計應該發生的背景事件的數量是一個相對簡單的問題。這就是低能量電子反沖事件的數字 232 的來源。
所以，「額外的53個事件從何而來」是個大問題。
可能產生額外粒子相互作用的三種情況中的第一種也是最常見的一種是以前未被考慮的背景事件來源，它是由極少量的一種稱為氚的稀有放射性氫同位素引起的。
研究人員指出，氚可能是透過探測器材料本身中氙和氫的宇宙成因活化而被引入探測器的。只需要極少量的氚——每 10 個氚只需幾個原子25氙原子太小而無法被偵測到。以其他方式檢測氚的嘗試沒有結果，因此氚假說既不能被證實也不能排除。
第二種更有趣的可能性是這個訊號可能是由。這些粒子與電子類似，但幾乎沒有質量和電荷，它們與其他粒子的相互作用非常少。這也沒關係，因為中微子是宇宙中最豐富的粒子。
根據該團隊的計算，如果中微子具有更強的強度，那麼它們可能是造成多餘訊號的原因。磁矩- 也就是說，磁場強度和方向 - 比我們想像的要強。如果這些更強的磁矩中微子是產生訊號的原因，我們很可能需要新的物理學來解釋它們如何存在。
這種情況的一個大問題是這些中微子是在恆星核心中產生的（除其他地方外），並且會在非常熱的恆星（例如白矮星）中大量產生，它們會從中提取能量，從而減少恆星的熱量。我們還沒有觀察到這樣的熱量損失與能量提取一致具有強磁矩的中微子。這造成了研究人員所說的與他們自己的結果之間的「強烈緊張」。
第三種情況是一種稱為太陽軸子的假設粒子。這是對數據的最佳擬合，置信度為 3.5 sigma - 也就是說，訊號是隨機波動的可能性為萬分之二。 （其他兩種情境的置信度為 3.2 sigma。）
這實際上是巨大的，因為迄今為止我們還沒有檢測到任何類型的軸子。軸子是 20 世紀 70 年代假設的一種粒子，旨在解決為什麼強原子力會遵循稱為「軸子」的粒子。電荷宇稱對稱性，而大多數模型都說他們不需要。
特定質量的軸是強暗物質候選者。假設從太陽發出的太陽軸子與暗物質候選軸子不同，但強烈暗示它們的存在——如果太陽軸子存在，其他軸子也應該存在。
這種情況的問題與中微子的問題非常相似。如果太陽可以產生軸子，那麼所有恆星也應該如此；再一次，在非常熱的恆星位置觀察到的熱損失軸子與亞原子粒子相互作用的嚴格限制。
所以，我們只剩下一個泡菜的問題，而這個問題只能透過——你猜對了——更多的實驗才能解決。由於 XENON1T 正在升級到下一階段 XENONnT，因此我們現在只能按兵不動。
“這裡討論的信號可以在下一代探測器中進一步探索，”研究人員在論文中寫道。
「XENONnT 的目標質量為 5.9 噸，ER 背景減少約 6 倍，這將使我們能夠更詳細地研究過量情況（如果它持續存在）。基於這項工作的最佳擬合結果的初步研究表明：只需要幾個月的XENONnT 數據，就可以在5 σ 水平上將太陽軸子訊號與氚背景區分開來。
預印本已上傳至XENON1T網站。
