追蹤暗物質(zhì)大行動(dòng)

文|張唯誠(chéng)

追蹤暗物質(zhì)大行動(dòng)

文|張唯誠(chéng)

在茫茫宇宙中，恒星間相互作用，進(jìn)行著各種各樣的規(guī)則的軌道運(yùn)動(dòng)，而有些我們卻找不到其作用對(duì)應(yīng)的物質(zhì)。因此，人們?cè)O(shè)想在宇宙中也許存在著我們看不見(jiàn)的物質(zhì)……

究竟什么是暗物質(zhì)呢？科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)一定不是我們熟悉的普通物質(zhì)，普通物質(zhì)由質(zhì)子、中子和電子組成，稱(chēng)為“重子物質(zhì)”，而暗物質(zhì)則很有可能屬于非重子物質(zhì)。盡管人們對(duì)這種物質(zhì)的本質(zhì)和起源還不是十分清楚，但它們很有可能不是由重子類(lèi)和輕子類(lèi)的基本粒子構(gòu)成的。科學(xué)家們將非重子暗物質(zhì)又劃分為“熱暗物質(zhì)”和“冷暗物質(zhì)”兩類(lèi)。而科學(xué)家的模擬結(jié)果又顯示，在宇宙的早期，首先是運(yùn)動(dòng)速度較慢的粒子合并成一些較小的結(jié)構(gòu)，然后才發(fā)展成了我們今天觀測(cè)到的星系和星系團(tuán)，這些運(yùn)動(dòng)速度較慢的粒子被科學(xué)家們稱(chēng)為“冷暗物質(zhì)”，它們的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，既不反射光也不吸收光，相對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的“熱暗物質(zhì)”而言，它們更能解釋宇宙的演化。天文學(xué)家們認(rèn)為，宇宙中絕大多數(shù)暗物質(zhì)是非重子暗物質(zhì)，而在非重子暗物質(zhì)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%。

那么，冷暗物質(zhì)又是什么呢？從粒子物理學(xué)的角度，科學(xué)家們提供了可供選擇的暗物質(zhì)粒子，主要是“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（簡(jiǎn)稱(chēng)WIMP）。這種粒子只通過(guò)弱核力和引力產(chǎn)生相互作用，但不參與電磁力作用。另外，暗物質(zhì)的候選者還有軸子、超對(duì)稱(chēng)引力子、中性子等。

由于暗物質(zhì)不與電磁發(fā)生作用，人們無(wú)法觀測(cè)到它們，尋找它們的蹤跡就成了現(xiàn)代物理學(xué)的重大課題，要了解暗物質(zhì)的本質(zhì)，人們必須證明暗物質(zhì)粒子是的確存在的，那么科學(xué)家們?cè)撊绾巫瞿兀?/p>

用粒子加速器“撞”出暗物質(zhì)

一種方法是，在粒子加速器中讓質(zhì)子流發(fā)生碰撞，然后探測(cè)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)，這需要使用強(qiáng)大的粒子加速器，這種加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速，然后讓它們相互碰撞，這樣就可以模擬宇宙起源的“大爆炸”現(xiàn)象，從而有可能將暗物質(zhì)粒子“撞”出來(lái)。

不過(guò)即使把暗物質(zhì)粒子“撞”了出來(lái)，科學(xué)家們也看不到它們，只能通過(guò)儀器把它們檢測(cè)出來(lái)。歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士和法國(guó)交界處的地下，總長(zhǎng)度約27千米，是世界上最強(qiáng)大的粒子加速器，它啟動(dòng)的撞擊能產(chǎn)生極高的能量，被認(rèn)為極有可能“撞”出包括暗物質(zhì)粒子在內(nèi)的各種奇異粒子，其中還包括一種被譽(yù)為“上帝粒子”的希格斯玻色子。有人認(rèn)為，這種粒子可能和暗物質(zhì)粒子就是同一種物質(zhì)。希格斯玻色子又被稱(chēng)為希格斯粒子，是英國(guó)科學(xué)家彼得·希格斯提出的一種假想粒子，在粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中用來(lái)作為物質(zhì)的質(zhì)量之源，被認(rèn)為是粒子形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。不過(guò)科學(xué)家又認(rèn)為，如果兩者是同一種物質(zhì)，那么希格斯玻色子就不會(huì)發(fā)生衰變，它們可能處于一種不帶電荷的穩(wěn)定狀態(tài)中，如此一來(lái)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就無(wú)法捕捉到它們了。

2010年3月30日，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)成功地讓兩束質(zhì)子流實(shí)現(xiàn)了對(duì)撞，撞擊模擬了宇宙大爆炸后在不到億萬(wàn)分之一秒時(shí)的狀況，產(chǎn)生的能量達(dá)到7萬(wàn)億伏，科學(xué)家們正期盼著撞擊的結(jié)果能為探索暗物質(zhì)、暗能量和宇宙的演化之謎帶來(lái)重大突破。

低溫暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)

比使用粒子加速器探測(cè)暗物質(zhì)更直接的方法是直接探測(cè)宇宙中暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)，使用這種方法需要把探測(cè)器放到很深的地下以避免其他信號(hào)的干擾?？茖W(xué)家相信，地球每時(shí)每刻都有“大質(zhì)量弱相互作用粒子”穿過(guò)，檢測(cè)到這些粒子的信號(hào)就能證明這種粒子的存在。

在美國(guó)明尼蘇達(dá)州的一個(gè)礦井下，一些科學(xué)家正在搜尋暗物質(zhì)，他們將此項(xiàng)工作稱(chēng)為“低溫暗物質(zhì)搜尋”計(jì)劃（簡(jiǎn)稱(chēng)CDMS）?！暗蜏匕滴镔|(zhì)搜尋”計(jì)劃的原理是，當(dāng)暗物質(zhì)粒子撞擊“低溫暗物質(zhì)搜尋”探測(cè)器中的一個(gè)原子核時(shí)，會(huì)引起原子核的震動(dòng)，從而被科學(xué)儀器探測(cè)到。研究人員在700多米深的礦井里用鍺和硅的晶體捕捉暗物質(zhì)粒子，他們的探測(cè)器被冷卻到了零下273.15攝氏度。當(dāng)一個(gè)“大質(zhì)量弱相互作用粒子”撞擊這些晶體時(shí)，它將引發(fā)震動(dòng)，而震動(dòng)又會(huì)使探測(cè)器的溫度發(fā)生極微小的上升，從而在晶體表面產(chǎn)生非常微弱的電信號(hào)。分析這種電信號(hào)，科學(xué)家們便有可能捕捉到暗物質(zhì)粒子的蹤跡。2007年，探測(cè)器偵測(cè)到兩次可能是“大質(zhì)量弱相互作用粒子”的撞擊事件。2009年12月，探測(cè)器又捕獲到了兩個(gè)可能是暗物質(zhì)粒子擊中原子核的信號(hào)。今年5月3日，這些科學(xué)家又宣布說(shuō)，他們捕獲到了一次記錄，很有可能來(lái)自“大質(zhì)量弱相互作用粒子”的撞擊。研究人員認(rèn)為，這是地球穿過(guò)一片“大質(zhì)量弱相互作用粒子云”導(dǎo)致的結(jié)果，不過(guò)這些探測(cè)數(shù)據(jù)都有待進(jìn)一步證實(shí)。

“費(fèi)米”巡天

根據(jù)目前的理論，暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如伽馬射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等，因而測(cè)量這些高能粒子的信號(hào)也是發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的一種方法。2008年6月，美國(guó)宇航局發(fā)射了一架名為“費(fèi)米”的太空望遠(yuǎn)鏡，這架望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)約2.8米。直徑約2.5米。最初被稱(chēng)作“伽馬射線廣域空間望遠(yuǎn)鏡”，待它發(fā)射升空后，又被命名為“費(fèi)米”以作為對(duì)美籍意大利裔物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米的紀(jì)念。

“費(fèi)米”的一項(xiàng)重要任務(wù)就是搜尋來(lái)自暗物質(zhì)“湮滅”時(shí)產(chǎn)生的伽馬射線。科學(xué)家認(rèn)為，盡管“大質(zhì)量弱相互作用粒子”不會(huì)和可見(jiàn)光發(fā)生作用，但它們之間撞在一起的時(shí)候會(huì)彼此摧毀對(duì)方而產(chǎn)生伽馬射線，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“湮滅”，所以他們認(rèn)為，探測(cè)伽馬射線能夠捕捉到暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。