暗物质到底在哪?这个大家伙或能揭开真相

时间:2016-04-15  来源:环球科学  作者:

  寻找暗物质的努力一直毫无所获,但科学家没有停下脚步,2016年,他们将在意大利格兰萨索国家实验室开始新一轮的尝试。

  暗物质在宇宙中似乎无处不在,但物理学家对其性质却知之甚少。很多物理学家认为暗物质是由大质量弱相互作用粒子(weaklyinteractingmassiveparticle,简称WIMP)组成的。如今检验这个最流行的暗物质理论的机会已经到来。迄今为止最大的寻找大质量弱相互作用粒子的实验将于今年在意大利格兰萨索国家实验室(GranSassoNationalLaboratory)进行,项目名为XENON1T。

  从上世纪80年代开始,类似的探测器就前赴后继地寻找暗物质,可惜都没能成功。现在,XENON1T将承担同样的使命。假如未来几年内物理学家没能在XENON1T中找到这种神秘的粒子,那他们将不得不抛弃现在的主流理论,尝试更加新奇的解释。拉斐尔·兰(RafaelLang)是美国普渡大学(PurdueUniversity)的物理学家,也在XENON1T工作,他说,“XENON1T足以用来检验目前最好的那些模型。假如我们没能找到大质量弱相互作用粒子,那肯定是模型完全错了,我们就得回到白板前从头推导。”

  大质量弱相互作用粒子是超弦理论的一个预测。超弦理论是粒子物理标准模型的推广,该理论认为宇宙中每个已知的粒子都有一个对应的伙伴粒子,而大质量弱相互作用粒子就是这些伙伴粒子中最轻的。物理学家很喜欢这种假设,因为大质量弱相互作用粒子总量的理论预测值刚好和暗物质总量差不多。暗物质约占宇宙质量的84%,这可以由其产生的引力大小测算出来。关于大质量弱相互作用粒子的很多模型都已经被证明是错误的,因为之前的实验中没有找到支持这些模型的证据。尽管如此,科学家还是希望剩下的几个模型有正确的可能。

  XENON1T的实验装置位于1400米深的地下,内部有一个装有3500千克液态氙的巨大柱形水槽。液态氙的一个特点是,它的原子在受到扰动时会发光。暗物质粒子和氙原子核碰撞会产生独特的能量信号,科学家希望捕捉到这一小概率事件。尽管暗物质被认为数量众多——每平方厘米每秒有约100000个暗物质粒子飞过,但它几乎从不与正常物质发生作用,所以人们只能通过引力确认它的存在。假如在XENON1T计划的两年研究时间中,可以检测到哪怕10个满足暗物质粒子特征的粒子,就足以堪称是伟大的发现。

  这个项目耗资1500万美元,由10个国家共同资助。在这之前还有一个同样的实验,只不过现在的规模是原来的25倍。新的XENON实验配置了更大的水槽,以及升级后的用于屏蔽非暗物质粒子的护罩。和之前的实验相比,新XENON可以在启动后的两天内超越原来的测量精度。启动数周后,XENON1T的测量精度将会超过目前最好的暗物质实验——位于美国南达科他州、使用了370千克液态氙的大型地下氙实验(LargeUndergroundXenon,LUX)。美国加利福尼亚大学欧文分校的蒂姆·泰特(TimTait,未参与此项研究)说:“假如XENON1T实验发现了前几代实验都没有找到的(粒子),我一点都不会感到惊讶。”

  其实现在,大质量弱相互作用粒子也可能出现在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LargeHadronCollider,LHC)内。在大型强子对撞机内,质子会以接近光速的速度对撞,科学家期冀从中找到新粒子。2015年,大型强子对撞机开始了第二轮实验,所用能量为2009年刚投入使用时的近两倍。现在的能量应该足以产生那些可以被XENON1T检测到的大质量弱相互作用粒子。

  要是接下来几年,XENON1T和LHC都没能找到这种暗物质粒子,那么理论物理学家可能就不得不换个方向去探索暗物质的物理原理了。泰特说:“一方面,我们知道暗物质肯定存在,但另一方面,除此以外我们对它一无所知。所以在理论上我们可以很方便地尝试各种假设。假如我们没能找到大质量弱相互作用粒子,那可能说明,暗物质比我们原先猜测的还要诡异。”