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主流科学认为暗物质是构成宇宙质量85%的神秘物质,它存在吗?
暗物质是什么?
科学家在大量天文学观测中发现了疑似违反牛顿万有引力的现象,这时科学家提出了暗物质的理论,暗物质是可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。在假设暗物质存在的前提下,科学家对于观测到的天文学现象,能够很好地加以解释。暗物质是构成宇宙质量85%的神秘物质。
什么组成了暗物质?
一种被广泛接受的理论认为,组成暗物质的是“弱相互作用有质量粒子”(weakly interacting massive particle, WIMP, 后文直接引用WIMP),也有一些其它假说,如轴子或惰性中微子等。要想证明暗物质的存在,科学家需要找到WIMP或轴子或惰性中微子。
探测暗物质有哪些方法?
科学家们目前探测暗物质的主要方法可以被分为三种:加速器探测、间接探测和直接探测。
加速器探测是在地面加速器上通过加速粒子到极高能段并互相碰撞,打出新粒子,将暗物质粒子“创造”出来,并研究其物理特性。
直接探测法探测来自宇宙空间的暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小,产生的信号也很“微弱”。为了降低本底,通常需要把探测器放置在很深的地下。
间接法观测暗物质粒子在宇宙空间发生湮灭或衰变之后产生的稳定粒子如伽玛射线,正电子,反质子,中微子等。根据目前的理论模型,暗物质粒子衰变或相互作用后可能会产生稳定的高能粒子,如果我们能够精确测量这些粒子的能谱,可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。
弱相互作用的大质量粒子WIMP的终极搜索
物理学家正在酝酿一个计划,给一个受欢迎但难以捉摸的暗物质候选人最后一次机会来展示自己。
物理学家早就预言,宇宙中弥漫着一种无形的物质,它有质量,但不与光相互作用。暗物质的引力效应可以解释为什么旋转星系不会自行撕裂,以及在早期宇宙微波“余辉”中看到的不均匀图案。WIMP在20世纪80年代成为暗物质最受欢迎的候选者。它们通常被预测比质子重1-1000倍,并且与物质的相互作用很微弱,通过弱核力,这是导致放射性衰变的原因,或者更弱的东西。但是几十年来,尽管科学家通过各种实验,苦苦搜寻它,但都没有找到WIMP的证据,这意味着,如果它们存在,它们的性质与最初预测的不同。
科学家们试图通过全球合作,努力建造最后一代超灵敏探测器,作为一个“终极”探测器来探寻WIMP。
弱相互作用的大质量粒子WIMP为什么被选定?
wimp一直是几十个实验的焦点,因为有一个强有力的理论证明了它们的存在。它们不仅解释了为什么星系看起来像它们那样运动,而且它们的存在也符合粒子物理学的理论。20世纪70年代,一组被称为超对称性的理论被设计出来,用来填补物理学家关于基本粒子及其相互作用的标准模型的漏洞,它们预测了一种类似WIMP的粒子。当粒子物理学家对早期宇宙进行建模时,他们发现具有类似WIMP特性的粒子能够在相互作用的热汤中存活下来,数量刚好与今天观测到的暗物质丰度相匹配。
过冷氙气
在接下来的几个月里,美国、意大利和中国现有的三个地下探测器将开始运行,它们通过寻找氙的过冷缸中的相互作用来寻找暗物质粒子。使用一种经过十多年打磨的方法,原子核因与暗物质粒子的相互作用而后退时,这些探测器将观察是否有闪光。
物理学家们希望这些实验能与使用锗、氩等材料的WIMP探测器相媲,直接探测暗物质。这些实验很可能是同类实验的最后一代,因为它们非常敏感,会达到“中微子层”——在这一自然极限之外,暗物质与氙原子核的相互作用非常小,以至于探测到它时会被中微子遮住,中微子几乎不与物质相互作用,但它们数万亿每秒地洒落在了地球上。瑞士苏黎世大学的物理学家劳拉·鲍迪斯说:“我们需要填补这个空白,否则后人可能会问我们,你们为什么不这么做?”
这些努力中最先进的是一个叫做达尔文的实验计划。据估计,该探测器的成本在1亿欧元(1.16亿美元)至1.5亿欧元之间,目前正在由国际氙气合作组织(international XENON collaboration)开发,该机构负责今年启动的3个实验之一,位于罗马附近的格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory)的6吨重氙气探测器。达尔文所含的氙气几乎是这个体积的十倍。
全球实验
该项目也在瑞士未来科学基础设施的国家路线图上,德国研究部专门为达尔文相关研究发出了资助呼吁,这些步骤表明,这些国家未来可能会进一步提供资金。尽管达尔文还没有正式落户,但它最终可能会在格兰萨索。今年4月,实验室正式邀请合作伙伴在2021年底前提交概念设计报告。
尽管达尔文目前由氙气合作组织领导,但鲍迪斯希望中国的同事们,今年正在启动一个名为PandaX-4t的实验,会与他们一起建造一个“终极”探测器,将实验室建造到中微子层。“我们的目标很清晰,就是要有一个大型的全球氙气暗物质实验”,鲍迪斯说。
物理学家可能别无选择,只能团结在一起,因为氙气的需求量非常大。稀有气体很难大量获得,因为从空气中提取稀有气体需要大量能源,而且电子、照明和航天工业的需求也相互竞争。一公斤的价格可能超过2500美元。达尔文的50吨将接近世界上70吨左右的年产量,这意味着——即使现有的3个探测器全部合并为25吨——未来的实验需要在几年内分批购买其余的探测器。“我们现在必须非常仔细地计划它,”鲍迪斯说。
暗物质可能本就不存在吗?
从全世界顶级科学家团队,积极打造各种实验室,开展各种探测项目来看,科学家搜寻WIMP粒子轴子或惰性中微子的实验还会持续几十年。当然几十年后,若搜寻还是一无所获的话,那时候,至少科学家们已经排除了各种可能,也许需要创建一个新的理论。但至少目前,主流科学界还是认为暗物质是存在的,只是它确实如幽灵般地存在着,要捕获它,需要花很大的气力。
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