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为何科学家要寻找暗物质?——上天入地用尽手段

2016-8-21 21:04| 发布者: 蝴蝶| 查看: 209| 评论: 0|来自: 澎湃新闻

摘要:   2015年12月17日,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射暗物质粒子探测卫星“悟空”,此次“悟空”将去太空寻找神秘暗物质存在的证据,也标志着中国空间科学研究迈出重要一步。 ▲暗物质 ...

  2015年12月17日,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射暗物质粒子探测卫星“悟空”,此次“悟空”将去太空寻找神秘暗物质存在的证据,也标志着中国空间科学研究迈出重要一步。

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

▲暗物质粒子探测卫星“悟空”

暗物质到底是什么?为什么科学家们要上天入地苦苦追寻暗物质?8月20日,上海书展分会场科学会堂举办了一场人气爆棚的讲座,上海科协大讲坛邀请了三位重量级主讲科学家——中科院院士、上海交通大学天文与天体物理中心主任景益鹏院士;中科院紫金山天文台的副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进教授;上海市粒子物理和宇宙学重点实验室主任季向东教授;为广大市民详释神秘的暗物质。

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

▲中科院紫金山天文台的副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进教授发言。

主宰着世界的暗物质到底是什么?

20世纪,科学家发现宇宙在不断膨胀,并发现了宇宙微波背景辐射,通过宇宙微波背景辐射,科学家推出了宇宙的年龄、能量密度和膨胀速度。问题在于,如果没有一类新粒子,其引力效应比已知粒子的引力效应大,那么宇宙就进化不成现在的样子。科学家们就把这种还没发现的粒子叫做“暗物质”,暗物质不发射光子、不吸收不散射光子,也不参与电磁作用,人们目前只能通过引力产生的效应感受它的存在。

季向东教授介绍:“宇宙当中可见物质占宇宙总能量5%,暗物质占了27%。所以从某种意义上讲,暗物质统治主宰了整个宇宙。我们可以确定的是暗物质的寿命一定很长,超过宇宙的寿命。世界许多理论物理学家提出了各种不同的理论,目前最主流的力量,将暗物质视作弱相互作用重粒子,叫WIMPS。弱相互作用是四大相互作用之一,李政道和杨振宁就是因为研究它而获得诺贝尔奖。”

“暗物质和普通物质几乎没有相互的作用,所以穿透力出奇的强。一个暗物质粒子,可以在地球的这一端,很轻松跑到地球另一端,也可以很轻松地穿过太阳。因此暗物质是不可能用个瓶子来装起来的。”季向东教授打趣道,如果有人要卖给你暗物质,可千万别相信。

暗物质有多大呢?根据目前理论,大概每平方厘米每秒钟,可能有上亿个粒子。“就是现在每秒钟、每平方米中,穿透你的暗物质粒子大概有上亿甚至上百亿。如果暗物质粒子跟普通物质没有相互作用的话,我们永远没有办法来感知它的存在。我们只有通过天文学,通过引力来探测暗物质的存在,但是我们没有可能在实验室当中来进行研究。”

既然无法在实验室研究,那么我们如何找到暗物质?

第一是模拟宇宙大爆炸,利用大型强子对撞机,把粒子加速再让它们相撞,模拟宇宙大爆炸之初的样子,看看能否撞出什么东西来,也许有助于发现暗物质。至今科学家用这一方法还未有发现。

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

第二种方式是直接探测。“许多理论家认为,暗物质很有可能有弱相互作用,因为弱相互作用,暗物质粒子就会与物体上的原子发生碰撞,我们就可以通过物理手段观测被撞飞的原子。”季向东说,“这一方法像‘守株待兔’,希望暗物质粒子能撞到我们身上。”

所谓“上天入地探寻暗物质”,这第二种直接探测法就是“入地”。季向东教授进一步说明,由于暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号极其微弱,想要听到这样的信号,必须在一个非常安静的地方。“就好比你不会在闹市区听音乐,我们则要逃到地底下去,越往下干扰越少。每往地下延伸1000米,宇宙射线的干扰就减少10倍。科学家就在地下挖一大坑,将精密仪器放在坑底探测。”

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

目前,世界上岩石覆盖最深的实验室就是中国四川锦屏地下实验室。锦屏地下实验室就藏身于锦屏山腹部的隧道中部,垂直岩石覆盖达2400米。与其相比,位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下试验室就像个游戏室。在川藏群山下,粒子物理学家最头痛的宇宙射线的强度仅为格兰萨索山区的1/200,为实验提供了“干净”的环境。

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

锦屏地下实验室二期工程施工现场。图片来自网络

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

▲锦屏地下实验室示意图。图片来自网络

讲完“入地”讲“上天”,“上天”就是目前第三种探测暗物质的方式——空间间接探测。“暗物质本身不可见,但它产生的一些粒子是可见的,通过探测这些可见的粒子,去间接推测或探测暗物质粒子,所以这叫间接法。”常进教授解释。

上天入地用尽手段,为何科学家要寻找暗物质?

“由于暗物质粒子湮灭或衰变能产生伽玛射线、宇宙射线、中微子等人类可以观测的粒子,科学家找到了探测暗物质的契机。中国的暗物质粒子探测卫星,要在太空中高精度测量伽玛射线、宇宙射线的能谱以及空间分布,以此来间接寻找暗物质粒子存在的证据。”

“悟空”作为我国第一颗空间高能粒子探测器,暗物质粒子探测卫星拥有很多中国独有的技术。比如探测器最核心的组成部分——BGO量能器,既能测量粒子能量、又能区分粒子种类。量能器的BGO晶体,此前世界范围内最长只有30厘米,而中科院上海硅酸盐所成功研制生产出60厘米晶体。BGO量能器数据读出的动态范围,也是同类型探测器中最大的。

按照原定计划,暗物质粒子探测卫星上天之后主要进行巡天观测,即望远镜背对地球,对太空进行比较均匀的扫描观测,长时期积累数据。如果2年巡天后发现某些天区有值得深入挖掘的信息,那时卫星的观测模式将进行调整,由巡天观测转入定点观测模式,对一些重点区域进行更充分的观测。

常进教授说,今年3月,科研人员对已经上天的“悟空”进行了测评,各项指标都达到标准。“如果指标评定是100分,‘悟空’就获得了100分。现在的情况,大约每秒有10万个高能粒子打到卫星上,把大部分过滤掉后,‘悟空’选择100多个高能粒子传输到地面,这是能量测量的情况。可见光光子的能量大约是1电子伏特。而暗物质粒子探测卫星对电子宇宙射线的探测有望超过10万亿电子伏特,鉴别粒子的本领很强。目前,‘悟空’每天探测500万粒子。”

那么“上天”和“入地”这两个探测方法哪个更好一些?常进教授向听众们解释:“由于还没有弄清楚暗物质粒子的物理性,所以没有办法判断哪种方法好。”季向东教授补充:“两种方法探测的是不同的东西,暗物质是超出我们想象的东西,只能说我们都在各自的领域中寻找各自的解释。”

“无论是地下的实验还是天上的探测,都是极其复杂的两个科学探索实验。但毫无疑问,在直接、间接探测方面,中国已经走在了世界的前沿,这点是非常让人兴奋的。”景益鹏院士说道。

景益鹏院士说,常有人问他人们为什么要苦苦追寻暗物质:“简单地说,就是根据现在的各种物理学理论,我们需要暗物质。宇宙137亿年的演化,暗物质起了决定性的作用。如果没有暗物质的存在,现在的整个银河系、太阳系就不是目前的样子。一年前出现相对论、量子力学,所有人都认为没有用,但一百年后的今天,你手机里所有的芯片、电脑、互联网的发明都源于一百年的理论。也许一百年后你的生活从早到晚全是暗物质。”

从大爆炸开始,宇宙已经存在了137亿年,而人类文明史不过3000-5000年;整个宇宙中有上千亿的银河系,而太阳只是我们所在银河系里的一颗恒星。“无论从时间还是空间角度上看,人类都是微不足道的。但是人类值得引以为豪的特点是会思考。近代科学发展至今不过几百年,却已经把世界的规律摸索得这么清楚,很难找到什么东西是不能吻合现行的运作标准模型,暗物质粒子的发现还将直接证实标准宇宙学模型的正确性。暗物质决定了我们的过去,决定了我们的未来。”季向东教授认为,暗物质这个谜团,是对人类智慧的最终挑战。

现阶段找不到暗物质是不是就代表了失败?季向东教授说,不能这样看。“过去15年,我们的探测灵敏度增加了3、4个数量级,这本身就是一个巨大的进步。探测器好比是一架飞机,目前所搜了整个太平洋,接下来的10-15年,搜索的范围会更广、灵敏度还会提高,还会催生新的领域,”季向东教授强调,零的结果不是没有意义,相反意义很大,“在探索宇宙未知的同时,我们留下了巨大的福音。”

在讲座的尾声,季向东教授发出感叹:“在过去几百年的物理、化学发展史上,几乎没有中国人的贡献,在教科书中都是牛顿、爱因斯坦这样的西方人名字。如今人类已经把许多谜团解开,现在剩下最后一些保留,在暗物质领域,我们希望一百年、二百年后,能在教科书中出现中国人的名字。现在机会就在我们眼前,不能再错过。”

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