宇宙中藏著某種神秘的東西,它看不見摸不著,我們僅能通過它施加給宇宙萬物的引力,得知它的存在,這就是所謂的“暗物質(zhì)”。暗物質(zhì)對(duì)于解釋恒星在星系中的運(yùn)動(dòng)以及人類觀測(cè)到的其他宇宙現(xiàn)象必不可少,或許是很多宇宙事件的“幕后黑手”。
從上世紀(jì)80年代起,物理學(xué)家建造了一系列高精尖探測(cè)器,來尋找暗物質(zhì),但到目前為止,即使在最尖端復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)中,暗物質(zhì)也沒有顯露過哪怕一絲真容。
2019年,在暗物質(zhì)玩的這場(chǎng)“躲貓貓”游戲中,科學(xué)家們將進(jìn)入博弈的新階段。從藏身地下的巨大探測(cè)器到高高在上傲視全天的大型望遠(yuǎn)鏡,今年將進(jìn)行的四大暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)或許會(huì)給我們帶來驚喜。
LIGO升級(jí)幫助尋找暗物質(zhì)
2015年,“激光干涉儀引力波天文臺(tái)”(LIGO)首次直接觀測(cè)到引力波,讓世界為之震驚和沸騰。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行一系列升級(jí)后,它將于今年早些時(shí)候開始第三輪觀測(cè)。屆時(shí),它收集的數(shù)據(jù)將比以往任何時(shí)候都多。有科學(xué)家稱,使用引力波數(shù)據(jù)有望揭示暗物質(zhì)的“蛛絲馬跡”。
2018年,有研究人員提出,如果宇宙某處潛伏著一個(gè)質(zhì)量很小的“暗光子”,它的信號(hào)可能會(huì)在LIGO數(shù)據(jù)中出現(xiàn),導(dǎo)致引力波特征出現(xiàn)非常特殊的不規(guī)則性。
暗光子是人類假想的普通光粒子的雙胞胎粒子,如果它們存在,將是解釋暗物質(zhì)的一種方式。
研究人員希望,地面和未來的基于太空的引力波探測(cè)器能夠做出重大發(fā)現(xiàn),使暗物質(zhì)研究塵埃落定。
隨著LIGO“王者歸來”,科學(xué)家很有可能在引力波數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的證據(jù)。
弄清惰性中微子“真實(shí)身份”
惰性中微子也被認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選粒子。在新的一年里,物理學(xué)家試圖厘清兩者的關(guān)系。
早在上世紀(jì)90年代,在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的液體閃爍中微子探測(cè)器(LSND)實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“惰性中微子”的神秘新粒子的證據(jù)。然而在接下來的20多年中,這一結(jié)果一直無法重復(fù),其他實(shí)驗(yàn)沒有找到任何關(guān)于該粒子的跡象。
2018年,事情突然出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī):美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的“助推器中微子實(shí)驗(yàn)”(MiniBooNE)再次探測(cè)到了該信號(hào),表明除了電子中微子、μ中微子和τ中微子外,第四種中微子——惰性中微子可能真的存在。
中微子可以幾乎不受阻礙地穿過其他物質(zhì),就如同其他物質(zhì)不存在一樣,因而被稱為“幽靈粒子”。但常見的三種中微子質(zhì)量太小,不可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的成分。而惰性中微子是一種質(zhì)量更大、與普通物質(zhì)間的相互作用也更弱的中微子。
有科學(xué)家認(rèn)為,如果惰性中微子的質(zhì)量足夠大,就可能是尋找已久的暗物質(zhì)。他們希望能在2019年弄清楚惰性中微子的“真實(shí)身份”。
大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡“開眼”
“大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡”(LSST)是科學(xué)家們正在智利建造的一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,每隔15秒,它就可以拍攝到大片天空的詳細(xì)圖像;每3天就能完成一次全天空掃描。
眾所周知,暗物質(zhì)塑造了星系及其恒星相互運(yùn)動(dòng)和相互作用的方式。LSST的目標(biāo)是提供有關(guān)宇宙如何運(yùn)作的前所未有的細(xì)節(jié),這應(yīng)該能為天體物理學(xué)家提供大量有關(guān)暗物質(zhì)性質(zhì)及其在宇宙中所起作用的數(shù)據(jù)。
2019年,研究人員將首次打開該望遠(yuǎn)鏡重達(dá)2800千克的“眼睛”,讓其對(duì)整個(gè)天空投去深情的一瞥。LSST有望在2022年進(jìn)入完全運(yùn)行狀態(tài),并在智利北部的帕切翁山展開為期10年的全天巡視。在10年時(shí)間里,它將對(duì)獲得的圖像進(jìn)行比較,以追蹤天空的變化規(guī)律,為理解暗物質(zhì)如何“攪動(dòng)”宇宙提供最深入的數(shù)據(jù)資源。
捕捉氙氣與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的微光
一直以來,粒子物理學(xué)家推測(cè),暗物質(zhì)的第一個(gè)直接標(biāo)志可能是一道閃光:由于暗物質(zhì)在非常暗的房間內(nèi)與惰性物質(zhì)發(fā)生碰撞,這些物質(zhì)會(huì)發(fā)出微弱的光斑。幾十年來,科學(xué)家根據(jù)這一原理建造了探測(cè)器,但迄今為止,沒有一個(gè)探測(cè)器產(chǎn)生確定的結(jié)果。
因此,有不少科研團(tuán)隊(duì)決定另辟蹊徑——有的對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級(jí),還有的則是建新的探測(cè)器來尋找暗物質(zhì)。
2019年,中國(guó)科學(xué)家將在“粒子和天體物理氙探測(cè)器”(PandaX)平臺(tái)上努力工作,該平臺(tái)晝夜不停地盯著氙氣尋找閃光——如果氙原子同暗物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞,產(chǎn)生的微光將會(huì)被探測(cè)器捕捉到??茖W(xué)家正加速升級(jí)該探測(cè)器,希望在2019年—2020年完成大部分工作。升級(jí)后的探測(cè)器將稱為“PandaX-xt”,可容納4噸氙氣。
美國(guó)的暗物質(zhì)研究人員也不甘示弱。位于美國(guó)南達(dá)科他州一座廢棄金礦地下約一英里處的“大型地下氙實(shí)驗(yàn)(LUX)”也將全面升級(jí),更名為“LUX-Zeplin”,容納10噸液態(tài)氙。與“PandaX-xt”一樣,該項(xiàng)目可能要到2020年之后才完工。
意大利也計(jì)劃將其探測(cè)器“XENON”升級(jí)至8噸液態(tài)氙規(guī)模,名為“XENON-nt”,升級(jí)可能在2019年完成。
上述四種搜尋方法,會(huì)讓科學(xué)家在2019年獲得暗物質(zhì)的確切證據(jù)嗎?我們并不確定?;蛟S暗物質(zhì)真的存在,不過是以截然不同于我們預(yù)期的方式存在。
不管怎樣,人類對(duì)宇宙的探索永無止境,許多未解之謎等待解開。比起找到暗物質(zhì),更大的探索還在后面,但暗物質(zhì)像一把鑰匙,能夠打開物理學(xué)更深層次理論的大門。(記者 劉 霞)
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