寻找暗物质入地又上天

2013-11-11 09:25 来源:国际先驱导报 作者:谢来

核心提示: 为了寻找暗物质,科学家们不仅深入地下上千米建造实验室,也向浩瀚的太空发射科学仪器。

2007年,借助“哈勃”太空望远镜和引力透镜现象,科学家绘制了一张在遥远星系中暗物质的“三维分布图”,但科学家们仍不能确定暗物质是由何种物质组成。

2007年,借助“哈勃”太空望远镜和引力透镜现象,科学家绘制了一张在遥远星系中暗物质的“三维分布图”,但科学家们仍不能确定暗物质是由何种物质组成。

《国际先驱导报》记者 谢来 发自北京

自去年7月,欧洲大型强子对撞机发现有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子存在的证据之后,该发现被誉为“半个多世纪以来最伟大的物理学成就之一”。10月初,2013年度诺贝尔物理学奖颁给了成功预测希格斯玻色子的两位物理学家,可谓众望所归。继此之后,多数科学家认为暗物质粒子可能成为下一个人类科学重大发现。如果说证明“上帝粒子”的意义在于解释亚原子粒子如何获取质量,继而最终形成我们所认知的世界;那么对暗物质的研究则是探寻我们未知的,从未曾看见的那个神秘世界。

暗物质究竟什么样?

当地时间10月30日,美国桑福德地下研究中心发布了暗物质实验——大型地下氙探测器(LUX)实验的第一次数据收集研究结果:虽然在地球深处探寻暗物质的努力没有见到任何成效,不过此次实验才开始85天,科学家相信,他们已掌握一种更准确高效的方法,对暗物质的探寻将继续下去。

这一漫长的探寻要追溯到80年前。1934年,瑞士天文学家弗里兹·兹威基在研究星系团中星系的轨道速度时,为了解决“缺失的物质”问题而提出了一个极富想象力的概念——“暗物质”。兹威基经过计算认为,星系的平均质量实际上比根据其亮度计算出的质量大160倍,这就意味着绝大多数物质是不可见的。

起初,兹威基的结论没引起重视,直到约40年后,人们在研究星系中恒星运动时遇到类似的困难,暗物质的说法才逐渐获得认可。通过观测星系中恒星的公转速度,也确认了星系中有大量暗物质存在。此外,引力透镜、星系碰撞和宇宙微波背景辐射等等的观测都间接证实了暗物质的存在。

但暗物质究竟是什么“样子”的?科学家们也很难描述清楚。形状、颜色、状态,我们对已知物体的这些形容都不适用于它,它不会与光发生反应,看不见,目前无法被探测到,摸不着。不过,暗物质与普通物质之间会通过引力作用发生相互作用,就像茫茫宇宙中的一张纵横交错的透明巨网,只能通过引力“感觉”到它。

最有可能的“候选者”

到目前为止,科学家尚无法明确指出暗物质的基本构成。但是多种推测中,其中一个非常有希望的理论是被称作“大质量弱相互作用粒子”(WIMP)的候选体。在假设的理论中,预言这种粒子应该具有以下两个特点:粒子只通过弱核力和引力产生相互作用,与普通粒子相比质量较大。

WIMP不参与电磁力作用,因此无法被直接探测到;而且它们不参与强核力作用,因此它们与普通物质发生相互作用的几率非常低;由于它们较大的质量,它们运动的速度相对缓慢,能够成团聚集。这些特性使得WIMP被认为是最有可能的暗物质“候选者”。

由于这种粒子与普通物质的相互作用非常的弱,只能产生较少的能量,很难被现有科技水平的观测工具探测到。因此,为了寻找到WIMP粒子,物理学家可能通过放置在地下实验室,背景噪声减少到极低的探测器直接探测它们的存在;也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心,太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测;人们同时还希望利用欧洲大型强子对撞机或者未来的国际直线加速器中人工“制造”出这些新粒子来。

地下实验室“广撒网”

全球各地已建起十几个寻找暗物质的实验室,科学家们广撒网,却似大海捞针,暗物质依然神龙见首不见尾。包括美国明尼苏达州苏丹煤矿的实验室、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室、英国博尔比盐矿中的精神实验中心,以及中国首个极深地下实验室——中国锦屏地下实验室。它于2010年12月在四川雅砻江锦屏水电站投入使用,其垂直岩石覆盖达2400米,是当前世界岩石覆盖最深的实验室。

众多搜索暗物质实验室中,位于美国南达科他州的LUX项目是最为先进的一个,它位于被废弃金矿改造的桑福德实验室,研究者要乘坐此前运送矿工的电梯花10分钟深入地下1600米,才能抵达实验室。之所以要选择在如此深的地下,是因为在此受到的宇宙射线的干扰比地球其它地方都要少很多。实验室目前仍在建设中,完全建成后其深度将超过2400米。

LUX实验的原理是将一个重300公斤的液态氙容器作为“搜捕”暗物质的工具。液态氙属于冷物质,重量是水的3倍。这个容器已被冷却到零下101摄氏度。一旦当WIMP粒子偶尔撞上氙原子核时,会释放特定数量的能量。探测器就能发现其信号。

科学家表示,在LUX实验首度运行的85天内,没有找到WIMP粒子撞击的蛛丝马迹。但他们并不灰心,实验才刚刚开始,明年的全年都将继续进行,而且LUX要比其他探测设备至少灵敏两倍。

项目的参与者之一,布朗大学物理学教授理查德·盖兹克尔表示:“我们在首次运行阶段并没有观测到任何证据,并不表明我们不会在第二阶段有所收获。”他相信,LUX实验未来仍然光明,其将跨越更广的范围内进行搜索,并可能会发现较重暗物质的迹象。另一位科学家丹·麦肯锡说,LUX就像一台机器,有能力搜查非常广泛的暗物质候选者。

纽约大学理论物理学家,宇宙学和粒子物理中心主任尼尔·韦纳评价说,首次数据收集虽然一无所获,但随着探测灵敏度的提高,如果暗物质真实存在,就能获得充分的证据。

在此前的实验中,世界其它地方的实验室都曾捕捉到了某些让人们怀疑是暗物质信号的“反常”迹象,但实验的灵敏度不高,让所发现的迹象无法得到确认。

[责任编辑:韩冬]
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