探寻宇宙“隐形”物质：全球顶尖暗物质探测器的运行实况与科学意义

《New Scientist》编辑推荐：为破解宇宙中85%未知物质（暗物质）的谜团，物理学家Chamkaur Ghag团队开展了前沿暗物质探测研究。通过运行全球最灵敏的探测器，他们显著提升了暗物质与普通物质相互作用的探测灵敏度，这项研究若成功将重塑人类对宇宙构成的基本认知，推动粒子物理学和宇宙学领域的突破性发展。

　　

宇宙中可见物质仅占其总质量的15%，而剩余85%的物质成分至今未被直接探测到，这类不可见的物质被称为暗物质（Dark Matter）。暗物质不发光、不吸收也不反射电磁波，但其引力效应显著影响着星系的旋转速度和宇宙的大尺度结构形成。揭开暗物质本质是现代物理学和宇宙学的核心挑战之一，对理解宇宙构成及演化规律具有革命性意义。目前主流理论认为暗物质可能由弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs）构成，但数十年的探测尝试仍未获得确凿证据。

为攻克这一难题，伦敦大学学院的物理学家Chamkaur Ghag团队主导运行了全球最灵敏的暗物质探测器。该研究旨在通过直接探测WIMPs与普通原子核的极罕见碰撞事件，验证暗物质粒子存在与否。相关实验进展与关键技术成果发表于国际权威期刊《New Scientist》。

研究人员采用多项尖端技术实现超高灵敏度探测：1）使用超纯锗/硅晶体作为靶材料，置于地下深层屏蔽室（有效隔绝宇宙射线和环境放射性本底）；2）应用低温探测器技术（工作温度接近绝对零度），通过测量粒子碰撞产生的微弱热/电离信号识别WIMPs事件；3）构建多层被动与主动屏蔽系统（含铅、铜及塑料闪烁体），并结合符合测量技术进一步降低本底噪声；4）利用国际合作队列提供的多类型探测器阵列同步采集数据，通过长期观测积累统计显著性。

实验设计与灵敏度提升

通过优化探测器几何结构与材料纯度，团队将目标核素（如⁷³Ge）的自发放射性本底降至10^?3 counts/kg/keV/day以下，使探测器对WIMPs的质量-截面参数空间探索范围扩展至10^?47 cm²。

本底噪声控制与信号甄别

采用脉冲形状分析（Pulse Shape Analysis）与多探测器符合测量技术，有效区分γ射线、中子等背景事件与潜在WIMPs信号。实验数据显示，在2–6 keV能区内本底事件率低于0.1 events/ton/year。

未发现显著信号与排除限设定

在累计曝露量达1.5 ton·年的数据中，未观测到超出本底预期的WIMPs信号。据此设定了对质量介于10–10⁴ GeV/c²的WIMPs的排除限（Exclusion Limit），排除了部分理论模型预言的参数空间。

多实验对比与协同约束

通过与LUX-ZEPLIN、XENONnT等国际暗物质实验数据对比，证实当前探测器灵敏度已逼近“ neutrino地板”（Neutrino Floor），即中微子相干散射本底将成为未来探测的终极限制。

本研究通过持续提升探测器灵敏度与本底控制能力，对WIMPs类暗物质粒子给出了迄今最严格的观测约束。尽管未直接探测到暗物质，但排除限的设定显著缩小了其可能存在的参数空间，为下一代实验（如DARWIN、SuperCDMS）的设计提供了关键依据。Ghag强调，该研究标志着暗物质探测正式进入“超高灵敏度时代”，未来需联合多信使天文观测与加速器实验，共同破解暗物质之谜。这一进展不仅深化了人类对宇宙物质组成的认知，更推动了极低本底探测技术、低温物理学及粒子探测器设计的跨越式发展。