搜寻小质量暗物质( 二 )
探测器的未来
最近一项实验进展使用了一种特殊的“跳跃(skipper)”CCD器件。这个尺寸为“15um×15 um×675 um”的器件由数百万个硅单元组成，可足够灵敏地识别激发硅晶体电子至导带的MeV/c2暗物质碰撞(图2(a))。费米实验室SENSEI小组已完成了首次CCD暗物质测量试验。
文章插图
图2 两类主要的亚 GeV 暗物质探测器都依赖固体物理效应来产生信号 (a)硅基CCD，当暗物质粒子与硅碰撞并将电子激发至导带时，器件产生电流；(b)暗物质粒子碰撞后材料中产生声子或光子，进而引起周围超导膜相变，导致电阻跃升
另一类获得巨大进展的器件是超导转变边缘传感器(TES)，它有望成为具有检测电子、光子和声子等功能的暗物质探测器。TES由超导薄膜组成，其温度非常接近膜的超导相变温度。当薄膜内沉积极少量的能量时，将转化至正常状态，电阻跃升(图2(b))。TES技术的终极目标是感应单个声子，从而对质量低至keV/c2量级的暗物质粒子敏感。
测量本底的挑战
【搜寻小质量暗物质】以前本底源研究的重心放在WIMP的能量范围。但随着人们对小质量暗物质兴趣的增加，研究重心也在转移。如今，研究人员已经理解如何压制单电子或多电子带来的背景信号，所采用的技术在过去的实验和近期液态惰性气体的实验中都得到了验证。
其他重要的本底噪声源还包括高能粒子的辐射，它会干扰亚GeV探测器。比方说，绝缘靶及靶周围的材料就能引起本底。当放射性衰变产生的电子或宇宙线u子与靶相互作用时会产生切连科夫辐射，也能让SENSEI探测到单电子事件。
怎样才算发现暗物质
如何确认暗物质的发现？并非有统计意义的测量都能反映新物理。这里有5个关键判据：(1)其他研究小组是否也独立地发现类似的新现象？(2)其他测量技术得到的结果是否呼应这一新现象？(3)能否构建一个简单而统一的暗物质模型解释新现象而不与直接测量、加速器搜寻、天体物理及宇宙学观测等其他暗物质实验结果冲突？虽然科学研究不必遵循奥卡姆剃须刀原理(Occam′s razor)，但是若只为满足个别测量给出的约束而徒增模型的复杂度，则值得物理学家怀疑。(4)是否完全理解并控制了本底？(5)能确定问题(4)的肯定回答吗？
一旦发现暗物质，相信我们就能回答以上所有问题。若干小规模实验的尝试值得鼓励，尤其是在研发阶段。另外，即使有某项技术声称覆盖了特定的参数空间，我们也应该支持另辟蹊径。这不仅有利于探究暗物质的全部属性，也可以增加新发现的可靠性。总之，这类小规模实验成本较低，因此值得投入，可能收获意料之外的回报。
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