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暗物质寻踪

2012-02-15 11:49 作者:曹玲来源:三联生活周刊 2012年第6期
寻找暗物质的科学家就像盲人摸象,大家都摸到了一条象腿,但谁也不知道暗物质究竟什么样。

具有争议的结论

在深深的地下实验室,一些科学家正在寻找暗物质。他们醉心于此,发现者的名字将被永远载入史册,与牛顿和爱因斯坦齐名。但令人备受挫折的是,这种物质非常神秘,他们一次次试图找到它却一次次失败,2011年声称看到了暗物质踪迹的研究小组纷纷被质疑,最终也没获得什么确切结论。

事实上,我们能看到的亮的物质,包括太阳、银河系及所有发光的物质仅仅是宇宙中极少的一部分,大约只占4%。相反,23%的宇宙由看不见的暗物质组成,73%由一种导致宇宙加速膨胀的暗能量组成。这是一个中学老师从未告诉过你的宇宙,一种完全不为人所知的物质和能量正控制着我们的宇宙,主宰着宇宙的未来。

瑞士天文学家茨威基

瑞士天文学家茨威基

20世纪30年代,瑞士天文学家茨威基(FritzZwicky)发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。当时许多人并不相信茨威基的结果,由于暗物质根本不与光发生作用,更不会发光,在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。

几十年过去了,科学家并未取得实质性的进展。最近,关于发现暗物质性质的希望,已经随着检测而破灭。这种物质对于不同的探测器显示出不同的性质,有时候它在一个探测器上比在另一个上重,有时候在一个实验中显得比其他实验更容易产生相互作用。在最极端的情况下,在两个同样材质、放置在紧挨着两个房间的两台仪器上,一个能显示出来一个却没有。

“现在的情况非常混乱。”胡安·科拉(JuanCollar)对本刊记者说,他是美国CoGeNT暗物质实验项目的主管。这个项目在明尼苏达州700米深的苏丹(Soudan)地下实验室进行,这里由废旧的矿井改建而成。实验使用高纯度的锗作为探测器来观测碰撞产生的电信号,它已经看到了数以百计的东西,每一个都可能是暗物质粒子撞击探测器产生的。

胡安·科拉 暗物质

胡安·科拉

“有两个独立的实验似乎发现了暗物质。一个实验看到连续不断的暗物质流穿过他们的仪器,另一个实验似乎已经看到一束暗物质粒子,虽然他们在背景噪音中失去了它们。”科拉说。他用了“似乎”这个词,因为在经过一番争论后,学界仍然没有承认发现了暗物质。

2008年,位于意大利大萨索山一条隧道中的实验项目DAMA宣称,在新一代探测器中看到了暗物质的信号。他们的观点遭到了很多研究小组的质疑。据实验仪器与其处于同一地区的XENON100项目科学家艾琳娜·阿普里勒(ElenaAprile)说,其他团队都被他们的发现难住了,现在还没有人能够确认这个信号,实际上他们的结果似乎与其他团队的相互矛盾。2011年5月,科拉所在的CoGeNT小组也声称看到了暗物质踪迹,但是消息发布后并没有多少人认真对待。中科院理论物理所研究员李淼也曾表示,中国的科学家并没有表示任何兴奋或沮丧。

“物理学家追踪暗物质,就像追踪一个幽灵。”科拉说。虽然我们看不到暗物质,但是它们有弱相互作用,有一定的概率和探测器内的原子核碰撞,由此传递一定的能量给被撞的原子,导致原子被电离、激发或者产生晶格振动,也就是我们能观测到的光、电、热信号。这样的探测实验非常困难,一是因为信号太微弱,需要非常灵敏的探测器;二是因为信号太少,而其他的宇宙噪声信号又太多,需要大海捞针似的把暗物质信号挑选出来。

我们需要暗物质。对于天文学家来说,它是看不见的“宇宙胶”。与旋转木马一样,星系在旋转时产生离心力。引力是保持恒星和星系聚集在一起的“黏合剂”,但是宇宙里我们可以看到的物质,并不能产生那么大的引力,使星系不致分裂开来,科学家认为宇宙中一定存在另一种看不到的物质,给星系提供重要的引力将其聚合起来。如果暗物质不存在,这意味着我们关于引力的理解在大尺度上是错误的。这对于很多天文学家来说是不可想象的,他们将希望寄托于暗物质,并通过观测星系的移动和旋转来帮助确定它的性质。

更重要的是,暗物质是我们试图超越粒子物理“标准模型”中缺失的环节。在基础物理学中有一个非常成功的理论,叫做“标准模型”,这个模型描述了所有已知的物质结构,从原子到星系无一漏网。但是在它描述自然界中三种基本作用力性质的同时,却无法描述第四种力——引力,而且无法解释为何有大量的普通粒子。为了完善这个模型,理论学家假设目前还有没被发现的粒子,在宇宙大爆炸之后极度高温下和普通物质进行作用,但是现在却失去了大量的能量。

理论家开始计算暗物质的实体到底是什么,他们将目光集中于大质量弱相互作用粒子(WIMP),这是一种运动速度相对缓慢,能够聚集成团,100倍于质子的粒子。在漫长的研究中,科学家知道暗物质只参与引力作用,不是已知的任何一种粒子,既不发光,看不到它,速度也不是很快,大质量弱相互作用粒子的各种性质和科学家的预测相吻合,于是成为暗物质最有希望的候选者。

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