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头号种子传来坏消息,暗物质搜寻赛道上谁将最终胜出?

2018年06月02日 00:07:00 浏览:42415次 来源:赛先生 供稿

文/金庄维


写在前面


本周《赛先生》特辑主题:暗物质迷踪。

有关暗物质的新闻总是令世人瞩目,然而几十年来,我们得到的新消息却总是同一个:还没有发现暗物质。这多少有些让人忧心忡忡,仿似我们进入了一片漫无边际的黑暗王国,迷失其中。

本周中,位于意大利的XENON1T研究团队公布了最新研究结果,科学家表示,历经一年多的搜索,这个世界上迄今最大、最灵敏的暗物质探测器,仍未发现任何暗物质的”蛛丝马迹“。不过他们同时带来了一点好消息:新研究缩小了寻找暗物质“弱相互作用大质量粒子(WIMP)”的范围。

新的研究结果在暗物质研究领域引起了不小震动,有科学家甚至悲观地认为:这一结果无异于对科学家曾寄予厚望的WIMP宣判了死刑。

科学从来都是在人类未知的黑暗世界里摸索前行。我们或许不必太过悲观。毕竟,在搜寻暗物质的赛道上,还有很多种子选手仍在奋力前行(今日头条)。或许你会质疑,既然这么长时间难觅暗物质踪影,是不是科学家一开始就错了?为此,小赛今天与你一起,简要回望暗物质理论提出的背景和发展历史(今日二条),同时跟大家讲讲未来发展的更多可能性(今日三条)。

或许,真正的黎明并不遥远。

 

        我们现在能够探测到的物质,小到原子,大到星系,加起来的总和只占宇宙中总物质的15%。余下的85%是什么?它们又在哪里?岂今为止都无人能够解答。这些隐形的物质被称为“暗物质”,它们活跃在理论家的模型中,却顽固地拒绝被捕捉。

 

        尽管收获甚微,但搜寻暗物质的努力从未停止。目前,全世界共有五十多个探测项目参与这场竞技比赛,它们按照探测原理的不同可以分成三组。接下来,我们将分别介绍各组的代表选手和它们的独家技能。

 

直接探测组

        如果暗物质粒子和普通原子发生碰撞,就会释放出能量和闪光。通过探测这些信号,从而寻找暗物质的方法被称为暗物质的直接探测。由于信号非常的微弱,为了屏蔽噪声,这一组的选手往往深埋于地下。

 

        一号选手:大型地下氙探测器实验(LUX experiment)

        数据采集开始时间:2013年4月

 

        LUX实验位于南达科他州莱德市(Lead, South Dakota)的一个废弃金矿内,它在地下1600多米深处探测暗物质的踪迹。

 

Photo by C.H. Faham

 

        科学家需要在零下100摄氏度的温度下将液态氙装满这个巨箱。位于巨箱顶部和底部的光电倍增管用于光的探测,搜索着暗物质与氙原子核发生碰撞的迹象。

 

        LUX探测器的主要目标是科学家们认为最有希望的暗物质候选粒子——弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,WIMP)。这种粒子“又胖又宅”,体重比质子和中子都要大,还很少和其他物质互动。它之所以成为暗物质的热门候选者,主要是因为可以被很好地放入主流的宇宙理论模型里。

 

        不过这个灵活的胖子没那么容易现身。LUX探测器从2013年4月开始收集数据,到2016年5月完成最后一轮运行,都没有看到WIMP的信号。

 

        二号选手:熊猫计划(PANDAX)

        数据采集开始时间:2014年5月

 

        “熊猫计划”实验室位于四川凉山彝族自治州的一条隧道中,深埋于海拔近4100米的锦屏山。它的探测原理与LUX一致。虽然地处偏僻,但“熊猫”的探测能力不输国际竞争者。从2014年5月收集首批数据开始,随着一次次的升级,它也一次次地取得了世界领先的灵敏度。

 

图源:https://pandax.sjtu.edu.cn/pandax

 

        可惜的是,熊猫也还没能找到WIMP的踪迹。

 

        三号选手:XENON1T

        数据采集开始时间:2016年11月

 

        XENON1T探测器位于意大利格罗萨索国家实验室,在地下1400米深处。这个探测器使用了3200千克液态氙,是世界上最大的暗物质探测器。它的目标同样是WIMP。

 

Photo by Roberto Corrieri and Patrick De Perio

 

        2018年5月28日,XENON1T实验组发布了最新结果——仍然没有发现WIMP。

 

        四号选手:低温暗物质搜索(CDMS)

        数据采集开始时间:2002年

 

        CDMS所用的探测器被埋在美国明尼苏达州深达700米的地下,和前三位利用液态氙进行探测的选手不同,它主要由锗元素和硅元素构成。不过探测原理还是相似的。

 

图源:http://www1b.physik.rwth-aachen.de/darkmatter/

 

        2009年12月17日,CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们认为:“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据,但我们不能排除这两起事件来自WIMP的可能性”。

 

        CDMS计划将升级为Super CDMS SNOLAB,虽然这个计划一再延期,但它的目标仍然是——WIMP!

 

        五号选手:轴子暗物质实验(ADMX)

        数据采集开始时间:20世纪90年代

 

        这位选手没有执著于寻找WIMP,它的目标是暗物质粒子的另一个候选者:轴子。

 

        轴子是物理理论中一种假想的基本粒子,这种粒子没有电荷、没有自旋、质量还比WIMP小得多。因此,它们也更加难以寻找。

 

        物理学家认为轴子会衰变成为光粒子,有可能在穿越大部分物质时无法被探测到,但它们可能会与磁场作用。因此ADMX的科学家用一个巨大的有内置微波空腔的超导磁体来试图捕捉轴子。

 

Credit: Mary Levin / University of Washington

 

        尽管探测方法和目标都变了,但结果还是类似的,ADMX至今没能探测到轴子。

 

间接探测组

        理论预言,两个暗物质粒子碰撞并湮灭会产生一对普通粒子,通过寻找这样的湮灭产物便有希望找到暗物质粒子。间接探测即是通过寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质。

 

        一号选手:冰立方(ICECUBE)

        建成时间:2010年

 

        2010年底建成的ICECUBE位于冰天雪地的南极洲,它的主要目标是捕捉来自太阳系外的宇宙中微子。如果暗物质粒子聚集在太阳内部,它们就有可能在太阳核心处发生湮灭。而一旦这个过程中产生的高能中微子被探测到,科学家便有可能找到暗物质相关的线索。

 

Credit: Stephan Richter, IceCube/NSF

 

        不过至今,这一切都还只是可能。

 

        二号选手:Pamela  卫星

        发射时间:2006年6月

 

        PAMELA卫星的主要目标是探测宇宙线中的反物质成分。它在2008年发现,宇宙线中正电子比预期的多了许多。由于暗物质湮灭可以完美解释这些多出来的正电子,人们认为这有可能就是暗物质的信号。不过,暗物质并不是这些正电子的唯一解释,高速旋转的脉冲星同样可以解释观测到的多余正电子。

艺术家笔下的PAMELA卫星(Courtesy: PAMELA collaboration)

 

        PAMELA卫星已于2016年停止运行。在此之前,它没能分辨出那些多余正电子的来源。因此,它看到的信号成了一桩悬案。

 

        三号选手:阿尔法磁谱仪(AMS)

        发射时间:2011年5月

 

        AMS漂浮在距离地面402km的国际空间站,配备了超高精度的探测器。

 

图源:https://ams.jsc.nasa.gov/index.html

 

        AMS于2011年搭乘美国“奋进”号航天飞机进行国际空间站。自运行以来,它不但证实了PAMELA的观测,还在更大的能量范围和更高的精度上扩展了这一结论。但是,即使是AMS-02 的结果也无法确认正电子的来源到底是暗物质还是脉冲星。

 

        四号选手:暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)

        发射时间:2015年12月

 

        “悟空”于2015年12月17日发射成功。它擅长准确测量高能电子、伽马射线的能量,以及区分不同种类粒子,在搜寻暗物质粒子时具有得天独厚的优势。

 

“悟空”的艺术画像(Credit: China Academy of Sciences)

 

        “悟空”上天两年之后,2017年11月30日,《自然》杂志在线发表“悟空”的首批探测成果:“悟空”卫星的科研人员成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。其中的数据表明,有可能存在“质量为1.4万亿电子伏左右的新物理粒子”。但这些仍不足以确认是否存在暗物质。

 

主动出击组

        上面的选手都属于“守株待兔”型,等待信号出现,然后进行探测。而这一组选手采取完全不同的策略,它们主动寻找暗物质。典型的代表就是大型强子对撞机(LHC),即世界上能量最大的对撞机。

 

Photo by CERN

 

        在LHC中,如果对撞粒子的总能量足够高,碰撞过程就可能产生暗物质粒子。但是暗物质粒子无法被对撞机上的探测器探测到。因此,科学家在重建碰撞过程时,就会发现一部分能量和动量消失了。通过这种方法就能在对撞机上寻找暗物质的信号。

 

        令人遗憾的是,2009年11月开始运行的LHC至今未能“撞出”暗物质粒子。

 

        在这场暗物质搜寻赛中,很难预测谁将拔得头筹,甚至也有可能,暗物质在未来某一天被科学家确证为不存在。但无论最终结果如何,我们终会发现,所有这些对未知的探索都是值得的,科学也正是在这样的不断尝试中曲折前行。

 

排名不分先后

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