未来十年,欧洲天体粒子学家想找什么?

聂翠蓉

2017年11月23日08:38  来源:科技日报
 
原标题:未来十年,欧洲天体粒子学家想找什么?

  KM3NeT利用建在地中海深处的望远镜阵列全面搜寻中微子。图片来源:《自然》杂志官网

  中微子、暗物质、γ射线……在探寻这些宇宙高能粒子方面,欧洲顶级物理学家们未来10年的愿望是什么?据《自然》杂志网站报道,近日,在官方正式宣布之前,一份由欧洲14个国家的投资机构制定的2017—2026年欧洲天体粒子物理发展十年路线图已开始在网络流传。这一路线图除鼓励向创新性提议开放资金,还将专注于扩建几个主要项目,欧洲物理学家期待在这些重大领域实现赶超。

  展示天文粒子无边之美

  作为天文学与粒子物理学的交叉学科,路线图制定委员会主席、意大利帕多瓦大学物理学家安东尼欧·马斯厄罗认为,天文粒子物理学是物理学最大领域(天文)与最小领域(基本粒子)的交叉结合,能向大众展示无边无际的美感。

  20多年前,天体粒子物理学还是一片空白。但近些年,粒子物理学领域出现一些重大发现,这些成果不再是由传统粒子碰撞产生的,而是完全借助于太空探测器。比如探测到宇宙中微子,发现宇宙X射线,用大型观测设备发现中微子振荡现象,美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)发现引力波等。所有这些成果的共同点就是,利用大型仪器,在最浩瀚的宇宙搜寻基本粒子,进而揭示宇宙的更多奥秘。

  2016年,欧洲天文粒子物理学联盟(APPEC)为加快欧洲在该领域的研究进展,召集欧洲核子研究中心(CERN)、欧洲南方天文台以及欧洲空间局等机构的物理学家在巴黎开会,粒子物理学家、天文学家和太空探测设备方面的专家齐聚一堂,就未来十年的发展和投资规划进行商讨。会后,马斯厄罗带领部分科学家组成的专家团,几经修订完成了路线图的最终版本。

  优先投入几大观测项目

  路线图提出,大型观测项目与实验室研究全面发展,既鼓励对科学家提出的创新性提议进行小规模投入,更要将有限资金重点投入几个大型项目。这些大型项目主要包括立方公里中微子望远镜(KM3NeT)、切伦科夫望远镜阵列以及爱因斯坦望远镜(ET),将分别对中微子、γ射线和引力波进行观测。

  立方公里中微子望远镜项目将分别在法国和意大利的地中海建造深海中微子望远镜阵列。法国望远镜阵列的主要设计思路是,探测宇宙射线与大气碰撞产生的低能中微子,而意大利的望远镜阵列,则用来捕捉外太空的高能中微子信号。整个项目预计需要资金1.5亿欧元,而目前已经募集到三分之一的资金。

  切伦科夫望远镜阵列项目是耗资3亿欧元的γ射线观测站,在西班牙拉帕尔玛岛和智利阿塔卡玛沙漠分别建造两座光学望远镜阵列,搜寻高能光子和大气分子作用时产生的蓝色闪光,通过这些信号研究银河系中心中子星和黑洞释放出的γ射线。

  探测引力波的爱因斯坦望远镜也被列入大型优先项目。按照路线图,该望远镜将从之前的双臂设计改为三臂,用等边三角形的10公里边长作为“手臂”,让高强度激光沿着三个“手臂”行进,通过引力波对手臂末端目标粒子的改变,获得引力波的精确定位及组成。

  希望暗物质搜寻“拔头筹”

  APEC还希望欧洲将现有暗物质搜寻项目规模扩大一倍,利用巨桶液氩和液氙开展大规模实验,捕捉神秘暗物质与普通物质粒子相互作用的“蛛丝马迹”。欧洲现有最大暗物质探测设备只装有3吨惰性气体,而路线图规定,惰性气体的桶装规模将增加10倍。

  最新路线图关于暗物质的研究存在争议。有物理学家希望欧洲能将暗物质的搜寻范围扩大到轴子等新理论粒子,以扩大暗物质的搜寻范围,但APEC没有改变之前的思路,其暗物质项目仍以“暗物质由弱相互作用(WIMPs)构成”为理论依据。所以有观点认为,这种坚持将导致欧洲在暗物质领域仍将一无所获,但支持路线图的科学家们认为,只要按预想执行实验操作,欧洲团队必将在破解最神秘暗物质的竞赛中,率先冲到终点。

  (科技日报北京11月22日电)

(责编:张歌、熊旭)

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