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【独家·24小时】捕捉暗物质粒子

暗物质可能是这个宇宙中最扑朔迷离的事物,科学家隐隐约约觉得它应该存在,却从没看到过它的踪迹。尽管看不见摸不着,但为了捕捉到暗物质的身影,科学家正在穷尽一切可能。

  现代物理学把物质之间的相互作用,按作用强度从强到弱分为四种:强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。暗物质的属性表明它们只参与引力相互作用。那么它们是否参与弱相互作用呢?

  这个问题目前尚无答案。理论上,物理学家推测暗物质粒子最可能是一种被称为WIMP 的粒子,它指的是弱相互作用大质量粒子。而最让大家觉得鼓舞的一点是,WIMP粒子的弱相互作用属性提供给人们一个探测它们的机会。不过因为我们对WIMP 粒子的质量和相互作用属性一无所知,让探测WIMP粒子成了一件很具挑战性的事情。

  为探测WIMP 粒子,科学家琢磨出了三种方案:一是通过它与普通物质可能的直接碰撞加以探测(直接探测);二是通过高能粒子对撞机制造出暗物质粒子(对撞机探测);三是寻找暗物质粒子衰变或湮灭产生的宇宙线信号(间接探测)。

  直接探测法测量的是地球附近的暗物质粒子和探测器之间的直接碰撞。目前,国际上已有十余家暗物质直接探测实验室,而我国在四川锦屏山隧道中建设了世界上最深的深地实验室,其中已有两个暗物质探测实验正在进行中。

  大型强子对撞机是目前能提供最高能量的加速器,其能量远远超过之前的任何一台加速器。在如此高的能量下,我们有可能制造出以前从未见过的质量更大的新粒子。通过仔细检查每次碰撞的产物,我们或许能找到新粒子存在的证据,而它或许就是我们苦苦追寻的暗物质粒子。但目前还未能发现有WIMP粒子的迹象。

  除了上述两种方法以外,还有一种间接探测暗物质的方法——寻找暗物质粒子衰变或湮灭时产生的特征信号。高能伽马射线作为一种非常可能的暗物质粒子,其湮灭或衰变的产物是暗物质间接探测的重要观测对象。电子、正电子和反质子也是暗物质间接探测的重点观测对象。我国的“悟空”号卫星也在正负电子总谱的测量方面做出了领先世界的成果,但在它的整个寿命期里所获得的数据中,是否会包含有暗物质的信号还未可知。

  总之,暗物质粒子探测是一项既迷人又富有挑战性的工作。许多国家都为此投入了大量的人力和物力。不过,我们有理由相信,21世纪人们在暗物质粒子探测方面将取得重大突破。

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