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暗物质什么样?地壳岩石告诉你

暗物质之谜的答案也许正被我们踩在脚下。

    低温暗物质搜寻计划是用来追踪暗物质粒子效果最佳的项目之一。但据最新研究报告称,最佳暗物质探测器也许正是地球自身。

    暗物质是宇宙中我们假设存在的一种组成物质,它被用来解释恒星和星系出现的许多奇怪行为。

    虽然几乎所有证据都证明暗物质的存在无可辩驳,但我们对于它的构造却一无所知。遍布全球各地的探测器已经为此运转了数十年,试图捕捉到暗物质粒子与我们擦肩而过的蛛丝马迹,但都一无所获。而一篇研究论文给出了一个新奇的思路:深挖。

    各种各样的天文观测结果都暗示我们暗物质的存在。恒星绕星系中心轨道运动的太快;星系在星团内部运转过速;宇宙中的大体积块状构造出现的太早。

    就我们所知,宇宙比我们可见范围要大得多——那里还存在一些其他形式的物质是我们无法看到的。不管暗物质是什么样,它都是一种新的粒子,且不会产生光学反应,也就是说它不是发射出来的,不会吸收、反射,也不会折射电磁辐射。这意味着我们看不到它,这也是为什么它叫“暗”的原因。

    截至目前,重力(引力)是我们了解暗物质存在的唯一的途径。尽管有隐身超能力,暗物质仍然是有质量的,这意味着它能对宇宙中最大的物体产生拖拽和塑形作用,通过更多高光度星和星系的运动可以揭示它的身影。

    另一方面,粒子物理学家一直以来都在炮制新粒子,以它们作为新物理学说的研究成果。最具说服力的一种粒子名为WIMP(weakly interacting massive particle弱相互作用大质量粒子)。

    “弱相互作用”不代表粒子微弱,它表示暗物质通过弱核力与正常物质偶尔发生作用。但也正像它的名字那样,弱核力强度不大,只有非常有限的范围,所以这些相互作用十分罕见。

埋葬的线索

    “罕见”也并不代表“从来没有”。人们普遍认为有几十亿——甚至数万亿——暗物质粒子正在你身体内游离。但因为暗物质几乎不会注意到正常物质,二者互不干扰,所以你不会有感觉。为使它的引力效应可见,你需要进行大规模测量。

    尽管如此,罕见的是(目前不知道具体有多罕见),一个暗物质粒子自发的通过弱核力去和一个普通物质粒子相互作用。这包含能量转移(也就是说暗物质反冲正常物质),让正常物质飞行起来,这样一来有一些东西至少在大体上,我们可以探测到。

    正因为它罕见又微弱,所以我们的探测工作很难取得成果。我们需要体积很大的大型探测器(因为相互作用的稀缺性,要么建造一个巨大的探测器要么等着百年一遇的幸运降临)。而且我们必须要把这些探测器深埋在地下,最深处在地表下1.2英里(2公里)。做这工作是因为那里有亚原子干扰活动发生:另外一种高能量粒子,像中微子和宇宙射线一样,能够制造反冲,而在它们碰撞到探测器之前,我们需要利用大量的岩石来吸收它们,以保证我们是否能够接收到信号,因为极可能是由暗物质引起的。

    而到目前为止,虽然经过几十年的探测器建造,且体积越来越大,而且观测很细致,但我们仍然一无所获。

化石证据

    基于工程和成本的收紧,我们只能建造有限大小的暗物质探测器。有幸的是发表在arXiv在线预印本网站的一篇文章提到,有一个巨型暗物质探测器数百万年来一直在收集相关数据。

而这个探测器正被我们踩在脚下。

    地壳本身就是一个大型的暗物质探测器。当游离的暗物质粒子与正常物质粒子在岩石内部相互作用时,质子和中子会被敲打松动以至于改变岩石受影响位置附近的化学物质组成。这甚至有可能促使粒子飞行,并留下一个微小的伤痕。而深度挖掘可以更好地触及到地壳的某些部分,达到的深度是目前暗物质探测器探测深度的两倍以上,这有望使探测结果更不会受到宇宙射线和其他有害粒子的干扰。岩石成型以来存在了数百万年甚至千万年,它们一直以来都在记录着暗物质反应,这些记录历史之久远远超出了我们在实验中所期望得到的时间。

    所以,操作很简单:挖开一堆岩石(最好是纯度高且便于分析的)然后从头到尾认认真真微观梳理一遍,找一找亚原子暴行的蛛丝马迹。不过这里面存在一个陷阱,地球上的岩石天然包含一些放射性元素,而放射性衰减能够引起相似特征。为了解决这个问题,研究人员建议挖掘海底地壳,这些相比构成大陆板块的地壳纯度更高。

    按这个方法,研究人员预计我们可以轻松得到一个超级探测器:仅仅一公斤岩石就足以抵得上当前最好的探测器的敏感度。因此我们必须开挖。

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