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全世界联合起来,抓捕“黑暗”

文章来源:中国青年报 郭路瑶    发布时间:2017-11-08  【字号:      】

11月5日,国际“暗物质日”北京站活动在中国科技馆举行。刘捷/摄

中科院高能所陈和生院士报告“寻找宇宙魅影-暗物质”。刘捷/摄

清华大学岳骞副教授报告“深地暗物质探测”。刘捷/摄

  从大气层之外的遥远太空,到岩石覆盖的极深地下,人类制造出的灵敏探测器,正昼夜不歇地守候着一个特殊的猎物。

  这些泛着金属冷光的复杂机器,造价正变得越来越高昂,有不少体型也越来越庞大。但神秘的猎物,可能还从未现身。

  对手藏在黑暗中。人类不仅不知道它的身份,甚至连它是否存在都无法完全确认。对于这个被称为“暗物质”的猎物,人类唯一能做的,就是在“森林”中埋下诱捕的网,将网编得越来越密、越来越大。

  “哪怕世界上最顶尖的物理学家,也不知道它究竟是什么。”11月5日,在中国科技馆举行的首届国际“暗物质日”北京站活动现场,来自中科院高能所的中科院院士、粒子物理学家陈和生解释道。“暗物质”这个含糊不清的名词,暗示着人类对它的无知。

  准备报告前,中科院院士、国家天文台天体物理学家武向平,特地上网搜了下“暗物质”,许多鬼怪的图片弹了出来。

  他还扒出许多让他哭笑不得、“传说”般的新闻报道:往黑洞中添加一点暗物质,有可能形成被称为时空隧道的虫洞;天文学家发现了一个主要由暗物质构成的黑暗星系;人们之所以得癌症,是因为暗物质穿透了你的身体……

  其实,这种看不见的粒子,每时每刻都在穿过人们的身体。它弥散在我们周围,在宇宙空间中贡献着质量和引力,却几乎不与普通物质发生反应。科学家推算,宇宙中只有约5%的普通物质,还有95%的物质是暗物质和暗能量,目前不为人类所认知。

  “尽管我们自己觉得人类很了不起,我们发明了手机、电脑、电视,现在我们还在讲人工智能,但实际上我们对宇宙的了解,还是瞎子摸象,或者说是井底之蛙。现在人类对宇宙的认识,就好比哥白尼的日心学说被认识之前。”71岁的陈和生站在台上强调。

  在他看来,“物理学已经到了革命的前夜”。暗物质和暗能量,这两片“晴朗天空中的乌云”势必给科学界带来狂风暴雨。

  随着越来越多的目光对准“黑暗”,有学者预言,“我们已接近发现暗物质的边缘”。对这一猎物的角逐,也正变得越来越激烈。

  天文学家的“人口普查”

  发现隐身的猎物,首先需要怀疑双眼所见。

  武向平展示了一张卫星拍下的地球夜晚照片。在纽约、伦敦、上海等大城市对应的小点上,灯光如簇般汇聚。灯光的密集程度,对应着人口密度,对不少人来说,这是很自然的联想。

  “看看照片上的韩国和朝鲜,你会发现,这种统计方法会漏掉一整个国家。对了,还有几乎整个非洲。”武向平用极快的语速解释,在给宇宙做“人口普查”时,很多天文学家犯了同样的错误——以为没有光的地方,就没有物质。

  瑞士天文学家费里兹·茨威基在1933年意识到了这个错误。在观测了几百个星系组成的集团后,这位被视为天才的科学家惊讶地发现,远离星系团中央的星系运动速度太快。根据速度推算出的星系团质量和通过测量光的亮度算出的质量不吻合,前者比后者的质量多了400倍。

  他推测,星系团中一定有看不见的“暗物质”,贡献了引力,提高了星系运动的速度。

  过了将近40年,“暗物质”这个概念才得到学界认可。美国天文学家薇拉·鲁宾,详细观测了仙女座星系。按照牛顿万有引力定律,离星系中心距离越远,恒星的运动速度应当越慢。鲁宾却观测到,这个速度并未如预期减慢。要么是万有引力定律错了,要么是星系中还有不发光的物质。

  最直观的证据,来自一张记录两个星系团“撞车”的照片。

  根据爱因斯坦的广义相对论,在巨大天体的引力作用下,光会发生弯曲。通过测量光的弯曲角度,可以准确计算出天体质量,这一效应便是引力透镜效应。

  借助这一透镜,科学家测出了两个星系团的质量中心,并用X射线观测出星系团中发光的热气体。将照片处理后,科学家发现了暗物质的踪影。

  当两个星系团高速相撞时,用红色标记的气体大量淤积在碰撞中心,它们遵循原子的运动规律。用蓝色标记的暗物质,如幽灵般径直穿过撞车现场,也穿过彼此。

  许多物理学家和天文学家逐渐相信,暗物质确实存在。它是一团厚厚的“晕”,紧紧地裹着盘状的星系,让它们在旋转过程中不至于分崩离析。

  科学家开始布下天罗地网,全力追捕暗物质。

  天罗地网围捕暗物质

  想给暗物质画张肖像,就很不容易。

  没人知道这头猎物长啥样,只能通过排除法,一点一点勾勒它的特征:它不发光、也不反射光;它不参与电磁相互作用,也不带电;它应该是冷的;它难以捕捉,行动速度比56式半自动步枪子弹还快300倍。

  粒子物理学家最认可的一张肖像,是“弱相互作用大质量粒子”模型,英文缩写WIMP刚好对应“懦夫”这个单词。与普通的粒子相比,暗物质粒子的质量要大很多,它们彼此之间只有引力和弱核力。

  为了追捕这个“懦夫”,科学家使出了各种上天入地的招数。

  在美国南达科他州,每天早上,数十名科学家会乘坐巨大的电梯,向下1500米进入一个幽暗的废弃金矿中。一个试图直接探测暗物质的实验室,藏在地下迷宫般复杂的采矿隧道里。

  在中国四川雅砻江边,2400米深的锦屏山下,一个类似的实验室坐落在穿山隧道中部。不大的空间内,一个装着580千克液氙,裹着黄铜、黑铅和白色塑料的大金属罐,便是上海交通大学“熊猫”团队用来捕捉暗物质的武器。

  上海交大粒子与核物理研究所教授刘江来介绍,锦屏地下实验室探测暗物质的原理是“守株待兔”——让暗物质粒子和作为靶子的原子相互碰撞,测量原子核被踢飞出去的信号。根据反冲能量留下的痕迹,他们可以推断出暗物质粒子的质量,以及同普通物质的相互作用强度。

  这是直接探测暗物质最常见的方式,但暗物质粒子和普通粒子撞上的概率极低。“每秒有10亿个暗物质粒子穿过我们的身体,但每年它撞上我们身体的次数还不到一次。”在地面上,探测还会受到宇宙射线和伽马射线的强烈干扰,使得寻找暗物质如大海捞针。

  为了剔除干扰,探测器必须埋到极深的地下,再穿上几层厚厚的“盔甲”。

  在太空中,科学家也设置了捕猎夹。6年前,执行最后一次飞行任务的美国“奋进号”航天飞机,将阿尔法磁谱仪送入离地球300多千米的国际空间站。对这台15个国家科研人员联合研发的仪器来说,寻找暗物质是其至关重要的使命。

  中国也在2015年发射了“悟空号”卫星。它是国内第一颗暗物质卫星,也是国内第一颗科研卫星。卫星科学应用系统副总工程师范一中介绍,和造价20亿美元的阿尔法磁谱仪相比,“悟空号”从设计之初就讲究“经济适用”。

  上天寻找暗物质,主要依靠暗物质粒子间的相互湮灭。根据目前的理论模型,它们相互作用后可能产生伽马射线、正电子等高能粒子。如果能找到这些蛛丝马迹,就能间接证明暗物质存在。

  另一种搜捕方式恰好相反。科学家并不追踪暗物质的湮灭,而是试图在实验室中通过普通粒子来创造它。在瑞士和法国交界处,一台世界上最庞大的机器掩藏在农场和森林之下。

  在这台周长27千米的大型强子对撞机内,两束质子沿圆环被加速到接近光速,并在教堂般大小的探测器内相撞。科学家希望,在这台模拟宇宙大爆炸的机器内,碰撞显示屏上能留下暗物质诞生的痕迹。

  多年过去了,这台机器仍然一无所获。和全世界众多引人注目、相当烧钱的暗物质探测项目一样,在捕捉这个幽灵般的猎物上,它们大多都扑了个空。

  关上不同的门,也是在前进

  包括阿尔法磁谱仪在内的一些项目,宣称发现了暗物质可能的踪迹。但许多科学家认为,干扰因素无法排除。

  在陈和生看来:“迄今为止,还没有找到暗物质粒子。”

  他抛出另一个难题:即便通过3种实验之一发现了WIMP的候选粒子,确认它就是宇宙中的暗物质也是极为艰巨的工作。3种不同方式的实验,或至少两种,必须要相互验证,确认这种粒子存在。

  刘江来所在的熊猫团队,同样没窥见暗物质的踪影。

  在过去两年内,探测器稳定工作约4个月,他们收集了相当于54吨液氙曝光一天的数据,没发现暗物质碰撞的信号。

  他们希望继续提高探测器的灵敏度。原先的金属罐,只能装120千克液氙,后来升级到580千克。未来,他们打算升级到4吨、30吨。

  除了中国,一些欧美国家也计划让探测器变得更大,从而提高灵敏度。刘江来介绍,液氙现在的价格为1万元每千克,全球每年产量仅60吨。

  “目前,探测暗物质的竞争非常激烈。”清华大学工程物理系副教授岳骞告诉中国青年报·中青在线记者,他所在的CDEX团队,同样在锦屏地下实验室探测暗物质。尽管暗物质仍然“下落不明”,他却很有信心,“10年内应该会找到,而且最有希望的就是地下直接探测项目”。

  CDEX团队和“熊猫”团队,都计划将灵敏度再提高1000倍。他们的最终目标,是一步步接近极限。

  在刘江来眼中,虽然尚未找到暗物质,他们的工作依然很有意义。“好比在找一个笔记本,如果家里只有5个房间,当你找到第4个房间时,你会欣喜若狂,因为你知道笔记本一定就在第5个房间。我们在用一个很大的排除法找暗物质,关上不同的门,也是在前进。”

  “找到就是非常大的突破,没找到也可以对理论提出修改。”岳骞将心态放得很平和。一些物理学家不认同主流的WIMP模型,也有些物理学家在尝试修正牛顿万有引力定律。

  自从2010年回国加入“悟空”团队后,范一中再也没出国开过会,也没回家过过年。他把所有心思,都扑在了这个功耗还不如一台微波炉的卫星上。截至2017年10月28日,这位“大圣”搜集到了34亿高能粒子,覆盖整个天区3次。

  范一中印象很深的是,不久前,诺贝尔物理学奖公布,引力波探测获奖。听到消息的瞬间,他和团队为获奖者鼓掌。在这个月或者下个月初,“悟空号”在太空探测2年的结果,也会面向社会公布。“取得比较好的成果,我想是指日可待。”范一中有些激动,中国科学家不会总在为别人鼓掌。




(责任编辑:侯茜)

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