XENON1T裝置（圖片來源：XENON1T官網）

本文轉載自環球科學（huanqiukexue）

撰文 | 張華

很多時候，做物理實驗像守株待兔，兔子不一定會來……

比如幾十年前，日本的小柴昌俊在日本神岡的一個廢棄的地下礦井裏，用3000噸純淨水和1000個直徑20英寸的光電倍增管探測質子衰變的信號。他們努力了很久，但神岡實驗沒有找到質子衰變。等得時間越長，越能確定質子的壽命，最後確定質子的壽命大於10³³年。

但是，守得雲開見月明。1987年，16萬光年之外的超新星爆發，小柴昌俊那幾千噸純淨水探測到了超新星中微子。因爲這個貢獻，他在2002年得了諾貝爾物理學獎——這就是“來自16萬光年之外的禮物”。

探測暗物質的實驗，也發生了類似的意外。

在意大利格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory），有一個探測暗物質粒子的項目——XENON1T。這個實驗室與日本神岡小柴昌俊當年的實驗室很像，也是很深的地下井，也需要用到很純的液體探測器。

格蘭薩索國家實驗室外景（圖片來源：wikipedia）

只不過，日本神岡用的是純淨水，而意大利的XENON1T用的是純度極高的液氙。氙（Xe）是一種惰性氣體，一般被汽車改裝者用做氙燈，氙燈可以亮瞎對面車道上的車主。這種惰性元素，是怎樣用來探測神祕的暗物質粒子的？

需要強調的是，暗物質粒子的理論模型非常多，尋找暗物質粒子猶如在茫茫人海中找人。直到現在，我們甚至連暗物質的名字到底是什麼都不知道。有的人說暗物質叫WIMP，有的人說暗物質叫Axion……公說公有理，婆說婆有理。

在衆多暗物質理論模型中，有一種質量在1GeV~1000GeV量級（作爲對比，我們知道質子的質量接近1GeV）的候選暗物質粒子格外受物理學家青睞，這個粒子就是弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle，簡稱WIMP）。

上海交通大學物理與天文學院博士後張佳駿告訴《環球科學》記者：“WIMP是一類流行的暗物質候選者。在宇宙熱大爆炸模型中，隨着早期熾熱的宇宙逐漸膨脹並冷卻，暗物質粒子與其他粒子解耦合並且長期穩定留存到今天。只要暗物質粒子具有相當於弱相互作用的反應截面，或者說它可以參與弱相互作用，並且它們還比較重（靜質量大於1GeV），在廣泛的質量範圍內（從GeV直到TeV量級），都能自然地解釋現在天文觀測到的暗物質的密度。這就是WIMP得名的原因——參與弱相互作用並且質量大。而WIMP在熱大爆炸宇宙模型中對於宇宙暗物質密度的成功解釋就被俗稱爲WIMP奇蹟。”

可以看出，WIMP肯定比質子重，因此如果要讓它去撞一個原子核，假設這個被撞的原子核質量與WIMP差不多，那麼就可能發生彈性碰撞，可以把被撞的原子核加速到很高的速度。這個被撞的原子核獲得這些動能後可以運動起來，最後撞上別的物質而發光，科學家可以通過發出的光來推算WIMP的質量與其相互作用的截面。

在具體的操作中，有一部分科學家就選擇了氙原子核作爲被撞對象。氙是54號元素，實驗選用的是半衰期最長的同位素——氙124。氙原子核與WIMP的質量是接近的，因此可以“關公戰張飛”，而不是“關公戰螞蟻”，這看起來也許是一幕好戲。

當然在質量比較小的暗物質粒子的理論中，比如所謂的軸子（Axion）質量就在μeV-keV量級，這個就不能去撞氙原子核來做實驗了，因爲氙原子覈對軸子來說太重了，軸子撞上去猶如“蚍蜉撼大樹”。

液氙所要探測的，就是WIMP。

XENON1T的實驗裝置位於地下1400米深，內部有一個裝有3.2噸液氙的巨形水槽。如果暗物質粒子WIMP存在，它的穿透能力極強，那麼WIMP可以穿到地下與水槽中的氙原子核碰撞，這種碰撞會產生獨特的發光信號，科學家希望捕捉到這一小概率事件。

XENON1T實驗裝置內部（圖片來源：XENON1T官網）

本來科學家認爲，液氙是非常穩定的，它就好像守株待兔這個故事裏的“株”靜靜等待暗物質粒子這個“兔”來撞擊它。

但是，意外發生了。

最近，在XENON1T合作組的科學家發現，兔子沒等到，株卻變了。

在本週發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，XENON1T的研究人員宣佈觀察到氙124的放射性衰變。氙124變成了碲124，原子序數從54號元素變成了52號元素。

這事情是怎麼發生呢？簡單地說就是一個“電子俘獲”過程。

電子俘獲在白矮星與中子星形成過程中非常常見，因爲強引力的作用，原子核會俘獲電子，然後放出中微子。但是，在正常的環境下，如果沒有強大的引力加持，那麼原子核自發地俘獲電子的概率很低——我們也可以用反證法來看這個事情，如果這個概率很高，那麼我們人類就不會存在。人體的大部分是水，如果水分子裏的氫原子核自發俘獲核外電子，那麼就會變成中子。水分子裏的氧原子核如果自發俘獲電子，那麼就會變成在元素週期表上相鄰的氮或者碳。我們人類就會被“中子化”或者“碳化”。

所以，自發俘獲電子，對液氙的原子核來說，也只是小概率事件。氙124的半衰期爲1.8x10²²年。

不過，最近科學家發現了液氙原子核俘獲電子後發生衰變的現象。

XENON1T實驗組的液氙一口氣居然俘獲了兩個電子。

這事情就大了。

我們知道，原子核是帶正電的，當它突然吸收兩個電子以後，原子核內的質子與電子會結合形成中子。這個過程發生以後，學術界有兩種看法。

第一種看法認爲原子核既然喫進兩個電子，它應該放出兩個中微子。這叫做“雙中微子雙電子俘獲”（2νECEC）。

另外一種看法認爲，原子核喫了兩個電子，但不會發出中微子，這叫做“無中微子雙電子俘獲”（0νECEC）。

2νECEC過程示意圖（圖片來源：XENON1T官網）

其中第一個看法是支持粒子物理的標準模型的，而第二個看法則是違反粒子物理標準模型的，這說明中微子是馬約拉納粒子——也就是說中微子的反粒子就是它自己。

張佳駿說：“XENON1T實驗組的條件還是比較有限的，他們雖然沒有條件探測到中微子，但他們有很多光電倍增管，可以探測到這個過程中的X射線與俄歇電子激發的光信號。從光信號的能量分析來看，他們支持的是第一種看法，也就是說他們認爲已經有中微子釋放出去了。”

從物理圖像上來看，只有當兩個電子恰好在正確的時間同時緊靠原子核時，纔會發生雙電子俘獲，這是“一種罕見的現象再乘以另一種罕見的現象，使它最後變得極端罕見”。從費曼圖的角度來說，兩個中微子雙電子俘獲是一個二階弱相互作用過程，其概率極小，如果不是要大量的液氙，觀測到這種現象的時間遠超宇宙的年齡。

到目前爲止，只有兩種同位素氪78和鋇130出現了2νECEC衰變的跡象。而這個液氙實驗說明，氙原子核也可以發生2νECEC衰變。

張佳駿表示，這次事件能確認氙發生了2νECEC衰變，不過目前還不能排除中微子是馬約拉納粒子的可能性：“不管中微子是不是馬約拉納的，2vECEC都是可以發生的；但只有當中微子是馬約拉納粒子時，纔有可能發生0vECEC。因此，只有等待更強大的探測技術出現，纔有可能給出定論。”

這次實驗是一個意外，因爲液氙的實驗本來不是爲了探測中微子設計的，但在暗物質粒子WIMPS沒被找到的情況下，卻意外發現了液氙發生了2νECEC，這給大家一個啓發：在實驗中增加中微子的探測裝置，這或許不但能檢驗中微子到底是不是馬約拉納粒子，還可能測量出中微子的絕對質量。

原始論文：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4