寻找暗物质
人类第一次绘制出——
21世纪初科学最大的谜之一是暗物质和暗能量。它们的存在,向全世界的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外,人们目前知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。如图是一张科学家最新绘制的关于暗物质的三维分布图,它令人信服地证明,暗物质是恒星和星系所赖以架构的框架。
“如果没有暗物质的存在,宇宙就不会以今天的形式呈现在我们面前”,绘制这张图的美国加州理工学院的天文学教授Richard Massey说。Richard Massey认为,在大爆炸结束后,暗物质像框架一样既把星系维系在一起,同时又为普通物质提供结构空间。
垂直岩石覆盖达2500米的世界最深、中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”近日在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用。杨杰 摄

    编者按

    我国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”近日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用。锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米,是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台,能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。

    据悉,由清华大学、四川大学、中国原子能科学研究院、南开大学和二滩水电开发有限责任公司参与的中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作组已将一组探测器安装在“中国锦屏地下实验室”中,开展暗物质实验研究工作。

    今天,让我们来看看“暗物质”到底是什么东西。

    暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,它们既不发光也不吸收光,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到。中微子和黑洞是现在已经知道的两种暗物质,但其对暗物质总量的贡献非常微小,暗物质中的绝大部分现在还不清楚,其本质现在还是个谜。

    几十年前,科学家提出暗物质理论,现在科学界已接受暗物质是宇宙的重要组成部分的观点,并认为是暗物质主导了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。  

    地下实验室在隧道里

    在建设二滩水电站过程中,四川锦屏山底曾修建了18公里可以通行汽车的隧道,上面是2500多米厚的山体岩石。这里将成为研究所成立后首个实验的开展地,专门“搜捕”暗物质。目前这里是世界上最优越的探测暗物质的环境。

    之所以称之为最优,据上海交通大学物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东介绍,该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道,在其侧面开挖长40米,宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比,使用更为便利,不必坐着电梯上上下下,乘坐汽车就能“入地”。而埋深2500米的隧道,更是难得,因为埋得越深,宇宙射线的干扰就越少。

    “地下工作”并无不适

    “从地面上开车大概20分钟,就能到达地下实验室。”上海交通大学粒子物理宇宙学研究所特别研究员倪凯旋还记得第一次“入地”的感觉。戴上安全帽、穿着硬底鞋,进入实验室,入眼是各种仪器设备。“那里四季恒温,冬暖夏凉,不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是,那里没有窗户,刮风下雨丝毫感觉不到,进去久了也容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。”

    “地下工作”时间久了,人是否会有不适?“地下实验室的通风设备很好,丝毫不会感到气闷,人在下面呆个半天,不会有任何异样的感觉。”倪凯旋说,一旦仪器运行稳定后,他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可,而地下实验室的所有数据也会传送至地面,因而,科研人员无需24小时“守”着探测器。   

    “捉拿”暗物质很不易

    让不少人难以理解的是,暗物质在宇宙中,科学家为啥要“钻”到地下去探测呢?这是因为暗物质是种颇有“个性”的粒子,它质量很大,但作用力却微乎其微。

    “每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体,但你却感受不到,这是因为暗物质的散射截面很小。”倪凯旋打了一个比方,就像一只足球能被球网挡住,但是一个小铁球就能穿网而过,就是因为它的截面比球网的网格小。

    如何“网”住暗物质?科学家们也想了很多办法。

    最初的办法是天文观测法,但是,却无法解答“暗物质是什么”。后来,人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者,是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号,一般通过地面或太空望远镜探测;后者,则是用原子核与暗物质碰撞,探测碰撞产生的信号。而在地面上,因为宇宙射线众多,这些信号会对直接探测产生干扰,影响其鉴别能力。因此,地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。

    两个实验组确认入驻

    锦屏山的地下实验室是我国首个地下暗物质探测实验室。它建成后,可以为我国科学家挑战世界级科研难题提供舞台。到目前为止,上海交大、清华两个实验组已确认将入驻地下实验室。两个实验组的探测方式并不相同。交大将使用液氙探测器在此开展暗物质的直接探测,清华将采用低温半导体开展探测。   

    至于探测到暗物质之后能派上什么用场,这对科研人员来说,仍是未知数。“粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘,对未来的生活会发生怎样的影响,我们现在还不得而知。就像电被发明时,人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何,每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步,这是最了不起的事。”季向东说。(据中央电视台等报道)

    背景资料

    暗物质的前世今生

    暗物质,英文名称:dark matter,定义为:由天文观测推断存在于宇宙中的不发光物质,由不发光天体、晕物质以及非重子中性粒子组成。

    暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5%左右)。诺贝尔奖获得者李政道更是认为其占了宇宙质量的99%。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设,但直到目前还没有得到充分的证明。 

    最早提出证据并推断暗物质存在的科学家是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基。大约65年前,他第一次发现了暗物质存在的证据。当时,弗里茨·兹威基发现大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到上世纪80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了。

    暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜。

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来自:宇宙新边疆  > 科技新知
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