2019年,暗物質搜索不停步

劉 霞

2019年01月11日09:04  來源:科技日報
 
原標題:2019年,暗物質搜索不停步

LSST效果圖圖片來源:LSST官網

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”。暗物質對於解釋恆星在星系中的運動以及人類觀測到的其他宇宙現象必不可少,或許是很多宇宙事件的“幕后黑手”。

從上世紀80年代起,物理學家建造了一系列高精尖探測器,來尋找暗物質,但到目前為止,即使在最尖端復雜的實驗中,暗物質也沒有顯露過哪怕一絲真容。

2019年,在暗物質玩的這場“躲貓貓”游戲中,科學家們將進入博弈的新階段。從藏身地下的巨大探測器到高高在上傲視全天的大型望遠鏡,今年將進行的四大暗物質實驗或許會給我們帶來驚喜。

LIGO升級幫助尋找暗物質

2015年,“激光干涉儀引力波天文台”(LIGO)首次直接觀測到引力波,讓世界為之震驚和沸騰。在對設備進行一系列升級后,它將於今年早些時候開始第三輪觀測。屆時,它收集的數據將比以往任何時候都多。有科學家稱,使用引力波數據有望揭示暗物質的“蛛絲馬跡”。

2018年,有研究人員提出,如果宇宙某處潛伏著一個質量很小的“暗光子”,它的信號可能會在LIGO數據中出現,導致引力波特征出現非常特殊的不規則性。

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,將是解釋暗物質的一種方式。

研究人員希望,地面和未來的基於太空的引力波探測器能夠做出重大發現,使暗物質研究塵埃落定。

隨著LIGO“王者歸來”,科學家很有可能在引力波數據中發現暗物質存在的証據。

弄清惰性中微子“真實身份”

惰性中微子也被認為是暗物質的候選粒子。在新的一年裡,物理學家試圖厘清兩者的關系。

早在上世紀90年代,在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室中運行的液體閃爍中微子探測器(LSND)實驗中,科學家發現了一種被稱為“惰性中微子”的神秘新粒子的証據。然而在接下來的20多年中,這一結果一直無法重復,其他實驗沒有找到任何關於該粒子的跡象。

2018年,事情突然出現了轉機:美國費米國家加速器實驗室的“助推器中微子實驗”(MiniBooNE)再次探測到了該信號,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,就如同其他物質不存在一樣,因而被稱為“幽靈粒子”。但常見的三種中微子質量太小,不可能是構成暗物質的成分。而惰性中微子是一種質量更大、與普通物質間的相互作用也更弱的中微子。

有科學家認為,如果惰性中微子的質量足夠大,就可能是尋找已久的暗物質。他們希望能在2019年弄清楚惰性中微子的“真實身份”。

大型綜合巡天望遠鏡“開眼”

“大型綜合巡天望遠鏡”(LSST)是科學家們正在智利建造的一台望遠鏡,每隔15秒,它就可以拍攝到大片天空的詳細圖像﹔每3天就能完成一次全天空掃描。

眾所周知,暗物質塑造了星系及其恆星相互運動和相互作用的方式。LSST的目標是提供有關宇宙如何運作的前所未有的細節,這應該能為天體物理學家提供大量有關暗物質性質及其在宇宙中所起作用的數據。

2019年,研究人員將首次打開該望遠鏡重達2800千克的“眼睛”,讓其對整個天空投去深情的一瞥。LSST有望在2022年進入完全運行狀態,並在智利北部的帕切翁山展開為期10年的全天巡視。在10年時間裡,它將對獲得的圖像進行比較,以追蹤天空的變化規律,為理解暗物質如何“攪動”宇宙提供最深入的數據資源。

捕捉氙氣與暗物質碰撞產生的微光

一直以來,粒子物理學家推測,暗物質的第一個直接標志可能是一道閃光:由於暗物質在非常暗的房間內與惰性物質發生碰撞,這些物質會發出微弱的光斑。幾十年來,科學家根據這一原理建造了探測器,但迄今為止,沒有一個探測器產生確定的結果。

因此,有不少科研團隊決定另辟蹊徑——有的對現有設備進行升級,還有的則是建新的探測器來尋找暗物質。

2019年,中國科學家將在“粒子和天體物理氙探測器”(PandaX)平台上努力工作,該平台晝夜不停地盯著氙氣尋找閃光——如果氙原子同暗物質粒子發生碰撞,產生的微光將會被探測器捕捉到。科學家正加速升級該探測器,希望在2019年—2020年完成大部分工作。升級后的探測器將稱為“PandaX-xt”,可容納4噸氙氣。

美國的暗物質研究人員也不甘示弱。位於美國南達科他州一座廢棄金礦地下約一英裡處的“大型地下氙實驗(LUX)”也將全面升級,更名為“LUX-Zeplin”,容納10噸液態氙。與“PandaX-xt”一樣,該項目可能要到2020年之后才完工。

意大利也計劃將其探測器“XENON”升級至8噸液態氙規模,名為“XENON-nt”,升級可能在2019年完成。

上述四種搜尋方法,會讓科學家在2019年獲得暗物質的確切証據嗎?我們並不確定。或許暗物質真的存在,不過是以截然不同於我們預期的方式存在。

不管怎樣,人類對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,更大的探索還在后面,但暗物質像一把鑰匙,能夠打開物理學更深層次理論的大門。(劉 霞)

(責編:劉婧婷、白宇)

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