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追踪暗物质疑云后的“隐身宇宙cbin仲博

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  日月交替、星辰变幻,激发了人类对自然宇宙的无限好奇与向往。但几千年来,随着对宇宙了解的逐渐深入,人类便越发惊叹于它的未知。这当中,暗物质便是遮蔽在现代物理学天空中的一朵看不透的“”。

  前不久,在“大科学装置前沿研究”重点专项项目“高纯锗阵列直接探测暗物质实验”支持下,中国暗物质实验(CDEX)合作组在暗物质直接探测领域取得重要进展——在4-5GeV范围内将自旋无关暗物质直接探测灵敏度提高到8×10-42cm2,达到国际最好水平。

  暗物质是人类在不断探索宇宙奥秘、认识世界过程中提出的一个重大前沿问题。在过去的近百年里,科学家们对暗物质的研究已从最初的猜测,发展到了当前多方向、多领域、多技术途径的全面探测和找寻。

  而又神秘的宇宙一直吸引着人类的好奇心,并促使人们不断提出新的物理模型去描述这个世界。近百年来,随着广义、大爆炸宇宙学标准模型等理论的出现,人类对宇宙的认识也越来越深入。师范大学天文与空间科学系主任李冀说,“尽管如此,宇宙中仍然充满了诸多未知,暗物质便是其中的一个未解之谜。”

  科学家认为,暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。正因如此,这些物质就像披上了“隐身衣”,在电磁波的所有波长上都不能被探测到。但与普通物质一样的是,它们也受作用,于是科学家们据此估算,暗物质质量约占整个宇宙总质量的90%,并分布在宇宙的各个角落。

  1933年,天文学家茨威基想用两种不同的方法来测量某个星系团(超过100个被绑在一起的星系)的质量。

  首先,他根据星系团中星系的旋转速度估测其质量。就像孩子在玩旋转木马时必须紧抓把手以免被甩出去一样,在星系团中,旋转的星系也需要一个力来将它们持续在一起。为了保持这种力,星系团中就必须有足够的物质产生必要的引力,以防止自身“分崩离析”。然后,他又用第二种方法——根据星系团中星系发出的光来估计其总质量,验证此前的计算结果。

  根据既有认知,星系团发出的光的数量取决于星系团中包含物质的质量,但茨威基却发现,两次计算得出的结果总是难以平衡,星系团中可见物质的质量并不足以产生维持其凝聚力所需的引力。

  茨威基大胆推断,星系团中应该还存在一种新的、未知类型的物质,可在不发射任何光线的情况下产生一个引力场,并将其命名为“暗物质”。

  当时,供职于卡内基研究所的天文学家福德和鲁宾,用新的探测器测量了仙女座星系内部和附近氢气云的速度。按理说,倘若星系的质量集中在发光之处,与边缘处的氢气云相比,星系可见边缘外的氢气云应以更慢的速度运动。但他们的发现却出人意料:星系可见边缘外的氢气云的轨道速度竟保持不变。

  于是,鲁宾认为,如果仙女座星系符合牛顿引力定律,那么该星系必定含有暗物质,且离星系中心处越远、暗物质的数量越多。而她,也因此成为以更精确的量化方式证明暗物质存在的第一人。

  “暗物质被存在,给人们的观念带来了极大冲击和突破。之前,人们无法想象这种看不见、摸不着的物质,在宇宙中竟占有如此大的比重。”李冀说,“此后,科学家们提出了各种各样的理论模型试图解释暗物质的本质,其中,最主流的理论就是超对称粒子。”

  专家解释,当前,人类所有已知的正常粒子都有相对应的粒子,而这组多出来的粒子存在于暗物质里,不会和正常物质起作用,只会有相当微弱的重力。科学家把这些暗物质称为大质量弱相互作用粒子(WIMP),由于它们和正常物质的原子几乎没有交互作用,因此很难截取并加以研究。

  暗物质难以探测,除了不发光外,还在于它的速度快,难以捕捉。科学家测算,暗物质粒子每秒的运动速度为220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。而且它们穿过人体时,不会留下任何痕迹,人完全没有感觉。

  “暗物质粒子必须相互作用我们才能‘看见’它,但具体是以何种形式来相互作用,我们并不明了。”李冀说,目前,暗物质粒子存在的都是通过引力相互作用发现的,实验室还没有确定的暗物质信号被探测到。

  专家介绍,根据当前主要的暗物质理论模型和候选粒子,国际上探寻暗物质的方法主要有3种,分别为直接探测、间接探测和加速器实验。

  “如果暗物质是由微观粒子构成的,那么每时每刻都应该有大量的暗物质粒子穿过地球。如果其中一个粒子撞击了探测器物质中的原子核,那么探测器就能检测到原子核能量的变化,并通过分析撞击的性质了解暗物质属性。这便是直接探测法。”李冀说。

  然而,WIMP与普通物质之间的相互作用极其微弱,被探测器捕捉到的概率也十分微弱。为了最大限度地屏蔽其他种类宇宙射线的干扰,暗物质直接探测实验往往在地下深处进行。

  也有学者认为,既然在中存在着大量的暗物质粒子,那么它们在湮灭或衰变产生常规的基本粒子时,就会发出伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。这时,可利用卫星或空间站搭载的空间探测器直接收集宇宙线粒子,通过分析其数量和能谱,提取出宇宙中暗物质衰变或湮灭的信息。

  “比如大家熟知的我国的‘悟空’暗物质探测卫星,以及欧洲AMS-02卫星实验等,都可归结为对暗物质的间接探测法。”李冀说。

  此外,普通物质粒子以较高的能量对撞时,也可能产生暗物质粒子。当前,国际上的大型加速器实验都不是专门为探测暗物质设计的,暗物质粒子极有可能在穿过所有的探测器时不留下任何痕迹,只是带走部分能量,从而在探测器系统中造成“能量丢失”。对探测器系统中“丢失能量”的测量,就可以推断是否有暗物质产生,进而研究其动量、质量等性质。目前,国际上的科学家主要基于欧洲核子中心的大型强子对撞机开展研究,但还没有给出暗物质的可能信号。

  “长期以来,对暗物质的研究始终是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化奥秘等,已成为当今天文学和物理学发展的一个重要趋势。”李冀说。

  “在暗物质探测实验中,直接探测实验具有重要地位。”大学工程物理系教授程建平说,“从上世纪90年代开始,随着实验技术和方法的不断提升,暗物质直接探测实验进入快速发展期。期间,我国科学家也积极参与到国际暗物质直接探测实验中。”

  2003年,大学暗物质实验组率先启动了我国自主暗物质直接探测实验,采用高纯锗探测器直接探测10千兆电子伏特以下的轻暗物质粒子。

  由于我国当时没有深地实验室,大学实验组利用韩国襄阳地下实验室开展了前期暗物质探测系统关键性能测试和研究,了低能量阈值高纯锗探测器在轻暗物质直接探测方面具有很强的国际竞争力。

  2008年8月,两条各17.5公里的锦屏山交通隧道实现双洞贯通。它们从锦屏山底部穿过,最大埋深将近2400米,埋深大于1500米洞段占隧道总长的73.1%。这本是一项工程奇迹,然而,在科研人员眼中却变成了开展暗物质研究的“良机”——岩层,这是宇宙射线年,大学牵头组建了CDEX合作组正式开展基于中国锦屏地下实验室的暗物质实验研究。次年,锦屏地下实验室投入使用,成为我国首个极深地下实验室,也是全球最深的地下实验室。

  “经测定,锦屏地下实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一,是目前国际上宇宙射线通量最低的地下实验室。”李冀说。

  而自锦屏地下实验室运行以来,其取得的研究,已经将我国的研究团队推向了寻找暗物质的前沿——

  2010年,CDEX合作组率先入驻中国锦屏地下实验室,利用极低能量阈值高纯锗探测器开展10千兆电子伏特以下的轻暗物质粒子探测研究;2012年上海交通大学领导的PandaX实验组也入驻中国锦屏地下实验室,利用液态氙探测器开展暗物质直接探测实验;2013年,CDEX合作组发表了我国第一个完全自主的暗物质直接探测物理结果,实验灵敏度达到国际第一阵营水平,cbin仲博娱乐平台!紧接着,又确定性地排除了美国CoGeNT实验组多年来的发现暗物质存在的实验;2017年,PandaX实验组给出了当时100千兆电子伏特能量以上国际最好实验结果。

  “可以说,我国暗物质直接探测实验研究已经处于国际‘并跑’的地位,接下来,我们仍将继续努力、保持目前的状态,力争在激烈的国际竞争中取得引领地位。”程建平说。

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