韓國新實驗室有望平息暗物質爭議

暗物質困擾了物理學家20多年。意大利格蘭薩索國家實驗室（LNGS）的DAMA/LIBRA實驗一直在記錄其探測器中每年的閃光波動，這似乎是暗物質的跡象。但沒有人能夠明確復制這些發現。

但據《自然》報道，在韓國旌善山下，研究人員正在擴大一項實驗的規模，最終可能平息關于暗物質的爭論。今年6月，他們將在一個名為Yemilab的全新設施中安裝改進的探測器。韓國大田基礎科學研究所（IBS）的物理學家Hyun Su Lee說，如果一切按計劃進行，升級后的COSINE-100實驗將于8月開始運行。

Yemilab建在地下1000米的一個老礦井里。

圖片來源：Kangsoon Park and Eunkyung Lee

暗物質被認為占宇宙質量的85%，但由于它幾乎不與普通物質相互作用，也不與光相互作用，因此很難被直接觀測到。幾個研究小組試圖一窺這種難以捉摸的物質，但只有DAMA/LIBRA實驗聲稱真正看到了它。

證實暗物質觀測結果的前景引起物理學家的注意。LNGS的實驗粒子物理學家Nicola Rossi說：“暗物質學界正在努力復制這一結果。”

DAMA/LIBRA對不同年度模式的觀測結果與物理學家對地球全年在銀河系中相對位置的預期一致。當地球繞太陽公轉時，太陽繞銀河系中心的黑洞公轉。6月，地球以與太陽相同的方向穿過銀河系，增加了其穿過暗物質的相對速度。但在12月，隨著暗物質的流動，地球向與太陽相反的方向移動。正如預期的那樣，DAMA/LIBRA探測器記錄的信號數量在6月最高，在12月最低。

一些研究小組嘗試在探測器中使用類似方法和材料重現DAMA/LIBRA的結果，包括使用相同類型的碘化鈉晶體，這些晶體被亞原子粒子撞擊時會發出微小的閃光。其中包括COSINE-100，它自2016年以來一直在Yemilab的前身——韓國襄陽地下實驗室（Y2L）運行。但沒有產生一個與原始實驗相匹配的結果，這引發人們的疑問，即信號每年的波動是否由其他原因造成，例如探測器本身或分析方法錯誤。“這是一個20年后仍然存在的謎題。”在西班牙Canfranc地下實驗室從事ANAIS-112實驗的物理學家Luisa Sarsa說。該實驗也專注于復制DAMA/LIBRA的結果。

來自中國臺灣的物理學家Henry Tsz-King Wong表示，為了永遠證實或排除DAMA/LIBRA的說法，實驗需要盡可能與原始實驗相匹配。盡管COSINE-100探測器使用的是相同類型的碘化鈉晶體，但它們的輻射比DAMA/LIBRA中使用晶體多3倍，這可能會使潛在暗物質粒子的微弱信號變得模糊，難以產生明確的結果。

Lee說，升級后的實驗使用的晶體與早期COSINE-100實驗使用的相同，但增加了一些增強功能以提高靈敏度。該團隊還在為下一階段的COSINE-200實驗開發一組碘化鈉晶體，其放射性純度比DAMA/LIBRA的更高。作為COSINE-100聯合負責人，Lee說，由于放射性水平更低，希望在更短時間內產生足夠數據，從而對DAMA/LIBRA的結果得出更可靠的結論，并尋找低質量暗物質。

COSINE-100將被安置在全新的3000平方米的Yemilab中。這座耗資310億韓元（2300萬美元）的設施位于地下約1公里處，深度和體積都超過了Y2L。自2023年9月以來，研究人員已將所有Y2L實驗轉移到Yemilab，并將于今年底在那里開始下一階段工作。

Yemilab還提供了更好的屏蔽環境，用于探測除了暗物質之外的難以捉摸的粒子。該設施還將尋找中微子—— 一種幾乎沒有質量的無電荷粒子。名為AMoRE的實驗的第二階段將尋找兩個中子在不釋放中微子的情況下衰變為質子和電子的跡象。這個假設的過程被稱為無中微子雙β衰變，如果觀察到，它將證明中微子是它們自己的反粒子。

IBS的物理學家、AMoRE的發言人Yeong-duk Kim說，升級后的中微子探測器將使用大約160公斤嵌入鉬-100的晶體，鉬-100是一種天然存在的放射性同位素。當AMoRE-II在今年底開始運行時，它的靈敏度將比以前的實驗版本高100倍。

Rossi說，無論這兩個實驗成功與否，都將引發更多問題。“如果這兩種方法都得出無效結果，我們應該認真地開始重新思考宇宙。”