近一個世紀以來，科學家們一直在努力辨識暗物質，這種看不見的物質被認為佔宇宙中所有物質的約 85%。其引力效應遍及整個宇宙，但至今沒有任何實驗能直接探測到這種物質本身。發現暗物質的組成是現代物理學中最重要未解的問題之一。

來自 LUX-ZEPLIN (LZ) 實驗的一項新分析，現已揭露了一個特別引人入勝的事件。研究人員記錄到一次粒子交互作用，而現有的已知背景訊號（由普通物質產生）難以解釋這次事件。

此發現的統計顯著性尚不足以被認定為一項發現。儘管如此，研究人員表示，這是 LZ 迄今為止報告過最令人信服的潛在暗物質訊號。

一個位於地底深處的巨大探測器

LZ 是一個國際性計畫，匯集了來自 39 個機構的 250 名科學家和工程師。該實驗由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 管理，並在南達科他州桑福德地下研究設施 (SURF) 地下約一英里處運行。

探測器的核心是 10 噸極其純淨的液態氙。該儀器主要設計用於搜尋 WIMPs（弱交互作用重粒子），這是解釋暗物質的領先候選者之一。

這項新結果在 2026 年日本 TeV 粒子天體物理學會議上的一場科學演講中發表。該論文也將發布在 arXiv 上，並提交給《物理評論通訊》 (Physical Review Letters)。

「我們對在數據中看到這個事件感到非常好奇，它出現在我們預期暗物質出現的區域，而且競爭背景非常低，」布朗大學教授、LZ 發言人 Rick Gaitskell 表示。「只有一個事件，我們不想過度解讀。我們並不聲稱已經看到了暗物質。但我們確實看到了一些有趣的東西，我們希望與科學界分享，以聽取他們的意見。」

LZ 合作團隊會分批審查其實驗結果。對於這項最新研究，科學家們分析了從 2023 年 3 月到 2024 年 4 月收集到的 220 天有效觀測數據。

先前，研究人員已在同一數據集中搜尋與最簡單形式的 WIMP 交互作用相關的極微弱訊號。這次，他們擴大了搜尋範圍，納入了能夠在探測器內沉積更多能量的更廣泛的 WIMP 交互作用。

LZ 對此類事件特別敏感，同時其設計也有助於科學家降低將普通粒子交互作用誤認為暗物質的可能性。

「這是一項對我們尚未在此數據集中探索過的區域進行的詳細研究，我們花費了數月額外的努力來理解所有可能的背景事件原因，」英國布里斯托大學資深研究員、該研究的首席作者 Sam Eriksen 表示。「我們對我們的探測器和背景的了解非常深入，以至於即使是像我們發現的這樣一個單一的異常事件也很重要。我們預期暗物質事件會極其罕見，因此僅僅幾個事件就可能標誌著 WIMP 暗物質的首次探測。」

這個神秘事件可能意味著什麼

如果暗物質確實產生了這個異常訊號，那麼負責的 WIMP 質量可能至少為 200 GeV/c²（吉電子伏特）。這將使其質量超過質子的 200 倍以上。

這樣的結果也將指向一種 WIMP 與普通物質之間的特定交互作用類型，這種交互作用超出了暗物質搜尋中通常考慮的最簡單模型。

科學家們保持謹慎有一個重要原因。粒子物理學通常要求一項結果達到「5-sigma」的統計顯著性才能被視為一項發現。新的 LZ 發現目前處於 2.6 sigma 的水平。

根據研究人員的說法，這相當於該異常事件由已知背景來源產生的機率約為 0.5%。

更多的觀測至關重要。隨著 LZ 收集更多數據，科學家們將能夠看到該事件的統計顯著性是否會增加，或者明顯的訊號最終是否會消失。

LZ 已經組建了世界上最大的暗物質搜尋數據集，並將繼續在 SURF 收集 WIMP 數據，為研究人員提供更強大的統計數據。

LZ 如何將暗物質與背景雜訊區分開來

該實驗透過監測粒子在探測器內沉積能量時產生的特徵性光閃來搜尋暗物質。

挑戰在於普通物質也會產生粒子交互作用。因此，LZ 使用多層保護和分析來識別這些背景事件，並防止它們被誤認為暗物質。

其地下位置提供了第一道防線。實驗上方近一英里的岩石阻擋了來自太空的大部分宇宙射線輻射。周圍的水箱和額外的外部探測器有助於屏蔽中央探測器免受背景中子的影響。

研究人員還使用複雜的計算技術來區分不同類型的粒子交互作用，並拒絕模仿暗物質預期訊號的事件。

這個異常事件之所以特別引起關注，是因為到目前為止，它尚未顯示出科學家們在深入調查異常事件時通常會發現的那些問題。

「數據中的異常事件並不罕見，但當你深入研究時，它們通常會被歸類為某種背景，」Berkeley Lab 的物理學家、LZ 機構委員會主席 Aaron Manalaysay 表示。「這是我參與過的任何實驗中，第一個看似在各方面都有效的異常事件。當然，我們仍在絞盡腦汁思考，是否有我們可能忽略的罕見背景機制，但能夠猜測這是否可能是暗物質觀測的第一個跡象，真是令人興奮。」

目前，一個無法解釋的事件不足以斷定暗物質已被最終探測到。但由於該訊號出現在可能預期暗物質出現的區域，並且已經通過了嚴格的審查，研究人員相信，隨著實驗繼續收集數據，它值得密切關注。