摘要：位于南达科他州地下近一英里深处的LUX-ZEPLIN（LZ）探测器发布了迄今为止最精确的暗物质搜寻结果，进一步缩小了弱相互作用大质量粒子（WIMP）的可能存在范围。这项由加州大学圣巴巴拉分校领导的国际合作项目，通过280天的数据收集，将人类对宇宙中最神秘物质的

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250930034209.htm

位于南达科他州地下近一英里深处的LUX-ZEPLIN（LZ）探测器发布了迄今为止最精确的暗物质搜寻结果，进一步缩小了弱相互作用大质量粒子（WIMP）的可能存在范围。这项由加州大学圣巴巴拉分校领导的国际合作项目，通过280天的数据收集，将人类对宇宙中最神秘物质的理解推向了前所未有的精度水平。

暗物质构成了宇宙总质量的约85%，但其真实身份至今仍是现代物理学最大的谜团之一。尽管科学家们无法直接观测到这种物质，但其引力效应在星系形成和宇宙大尺度结构演化中发挥着关键作用。LZ实验的最新结果虽然没有直接探测到暗物质信号，但通过设定更严格的限制条件，为全球科学界提供了重要的指导方向。

加州大学圣巴巴拉分校实验物理学家休·利平科特表示："虽然我们总是希望发现新粒子，但对粒子物理学而言，能够为暗物质的实际情况设定边界同样重要。"这种方法体现了现代基础物理研究的特点：即使"负面"结果也具有深远的科学价值，因为它们帮助排除错误理论，指引研究方向。

极限灵敏度的技术突破

LUX-ZEPLIN 实验在寻找暗物质方面发布了迄今为止最精确的结果。图片来源：AI/ScienceDaily.com

LZ探测器的核心是一个装有10吨超纯液氙的双层钛罐系统，其密度和纯净度创造了一个高度隔离的环境，能够捕获可能表明WIMP存在的最微弱信号。探测原理基于WIMP粒子与氙原子核的碰撞，类似于台球游戏中母球击中目标球的过程。当碰撞发生时，会产生光信号和电子信号，这些信号被精密的探测系统记录和分析。

探测器的设计如同洋葱般层层嵌套，每一层都有特定的功能：最外层的液体闪烁体探测器用于识别和排除中子干扰，中间层提供额外的辐射屏蔽，而核心的液氙区域则是真正的暗物质探测区域。这种多层设计使LZ能够将背景噪声降到极低水平，达到前所未有的探测灵敏度。

桑福德地下研究设施的特殊地理位置为实验提供了理想的环境。近一英里深的地下位置有效屏蔽了来自太空的宇宙射线，而周围的岩石层进一步减少了自然辐射的干扰。探测器本身由数千个超洁净、低辐射的组件构成，每个部件在制造和安装过程中都经过严格的放射性检测。

实验团队还开发了复杂的数据分析技术来识别和排除各种背景干扰。中子是最常见的干扰源之一，因为它们与氙核的相互作用会产生与WIMP信号极其相似的信号特征。研究生玛卡拉·特拉斯克解释道："中子的棘手之处在于它们与氙核相互作用时发出的信号与我们对WIMP的期望完全相同。"

消除偏见的科学方法

为了确保结果的客观性和可靠性，LZ合作团队采用了一种称为"加盐"的先进技术。在数据收集过程中，研究人员会在真实数据中添加虚假的WIMP信号，直到分析完成后才"去盐"揭示真实结果。这种方法有效防止了研究人员的无意识偏见，避免了对数据的过度解释或分析方法的不当调整。

物理协调员斯科特·哈塞尔施沃特强调了这种方法的重要性："我们正将探测边界推向人们以前从未探索过的区域。人类天生倾向于在数据中寻找模式，因此在进入新领域时保持无偏见态度至关重要。如果真的有发现，我们必须确保方法的正确性。"

氡气衰变是另一个重要的干扰源。氡原子会经历一系列特定的放射性衰变过程，其中某些衰变产物可能被误认为WIMP信号。研究团队开发了识别整个氡衰变链的技术，通过监测一系列相关的衰变事件来确认和排除氡干扰，避免将其误认为暗物质信号。

外层探测器在排除干扰方面发挥了关键作用。这个装满含钆液体闪烁体的丙烯酸容器能够精确识别中子信号。当液氙区域记录到可疑信号时，如果外层探测器同时检测到相应的中子信号，就可以确认这不是WIMP相互作用。反之，如果外层探测器没有响应，则增加了信号来自暗物质的可能性。

未来展望与多元发现潜力

LZ实验计划在2028年结束前收集1000天的数据，目前已完成约28%的数据收集目标。随着数据量的增加，探测精度将进一步提升，为科学界提供更严格的WIMP存在限制条件。

值得注意的是，LZ探测器的能力远不止于暗物质搜寻。博士后研究员查米·阿马拉辛哈指出："我们的实验对源于不同物理领域的罕见事件同样敏感，包括太阳中微子、某些氙同位素的奇异衰变，甚至其他类型的暗物质候选粒子。"

这种多元化的研究潜力使LZ成为基础物理研究的重要平台。太阳中微子研究能够帮助科学家更好地理解太阳内部的核聚变过程，而稀有氙同位素的衰变研究则可能揭示新的物理现象。此外，除了WIMP之外的其他暗物质候选粒子，如轴子或惰性中微子，也可能在LZ的探测范围内。

科学界已经开始规划下一代暗物质探测器XLZD（超大型液氙探测器），其规模和灵敏度将远超现有的任何实验装置。这些未来项目将继承LZ实验的技术成果和经验，在暗物质搜寻中实现更大的突破。

LZ合作项目汇集了来自美国、英国、葡萄牙、瑞士、韩国和澳大利亚38个机构的约250名科学家，其中大部分核心工作由早期职业研究人员完成。这种国际合作模式不仅确保了实验的成功进行，也为下一代物理学家提供了宝贵的研究经验和技能培训。

加州大学圣巴巴拉分校在暗物质搜寻领域有着悠久的历史传统，从1988年发表的首批搜寻结果开始，该校物理系一直处于这一领域的前沿。几十年来，该校通过物理系、文理学院、行政部门以及私人捐赠，持续为暗物质研究提供强有力的支持。

来源：人工智能学家