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众多团队上阵,暗物质粒子何时现身?


近日,诺贝尔物理学奖获得者、美籍华人物理学家丁肇中在山东大学演讲时,再次为暗物质线索的发现给出了一个时间节点——2024年。他认为,届时关于暗物质的来源,“应该能有个决定性的结果出来”。

  2024年也是国际空间站可能的退役时间。正在国际空间站上寻找暗物质和反物质的,是阿尔法磁谱仪。它也是首个安置在太空中的最强大、最灵敏的精密粒子探测装置。

  阿尔法磁谱仪项目由丁肇中主持,背后是个国际合作团队。实际上,寻找暗物质的队伍还有很多,有的在天上,有的在地下。众里寻暗物质千百度,还不知它是否在灯火阑珊处。

  身子沉跑得慢,还会隐身术

  暗物质,顾名思义,看不见、摸不着,在人类现有的众多探测手段面前,它都如同会隐身术——暗物质和其他物质不发生相互作用,或者说相互作用非常弱。

  早在上世纪三十年代,天文学家茨威基根据观测提出,星系团中应该充满一种不发光的物质。

  现在,暗物质的存在已经无可争议。科学家普遍认为,构成宇宙的成分中,27%为暗物质,68%为暗能量。也就是说,人类已知的物质,仅占5%左右。

  中科院紫金山天文台研究员、暗物质卫星“悟空”团队科学家袁强告诉科技日报记者,学界认为暗物质产生于宇宙大爆炸,但并不清楚它如何产生。

  我们已知的物质可以形成星球、星系,而暗物质同样也能形成类似结构。袁强介绍,由于它们之间的相互作用力非常弱,暗物质形成的结构应该松散很多,不可能形成像恒星一样紧致的天体。在我们熟悉的银河系外围,就存在着体积巨大的球状暗物质晕。大多数星系,也都镶嵌在这种暗物质晕中。“放眼整个宇宙,暗物质晕可能比星系还多。”

  暗物质另一个可能的特点是重,其运动的速度较慢。“估计其今天在银河系中的运动速度为每秒几百公里。”所以,在主流的暗物质模型中,科学家推测,它应该是一种大质量弱相互作用粒子。

  当然,暗物质粒子的候选者还有很多,比如轴子、惰性中微子,或其他奇异的粒子。

  就算上天入地,也要找到你

  我们知道暗物质存在,但不知道它确切长什么样,只能模模糊糊给个大概特征。

  人类探测暗物质粒子,主要有加速器探测、地下直接探测和空间间接探测三种方法。

  前者讲究“大力出奇迹”,加速粒子到极高能段互相碰撞,创造出暗物质粒子。直接探测则是探测暗物质粒子和原子核碰撞产生的信号。在我国的锦屏地下实验室,就有两支团队正在等待着这种碰撞。而间接探测法,是探测暗物质粒子对互相碰撞、湮灭后产生的标准模型粒子。

  “从探测方法来说,阿尔法磁谱仪和‘悟空’都属于间接探测法。” 暗物质粒子对发生碰撞后,可能产生伽马射线,或者产生出高能的正反粒子。袁强说,阿尔法磁谱仪是将磁体放入太空,用它测量带电粒子通过磁场时的偏转,据此获得粒子的质量、速度、电荷种类等属性。“悟空”采用的是“量能器”的方案,这相当于在太空中放了一个靶子,带电粒子打到靶上会被靶子吸收掉,科研人员通过测量靶子吸收的能量,了解粒子的属性。

  两者探测的灵敏能段有所不同。不过,它们都是在寻找能量图谱上的那一点异常。当然,找“异常”可不容易。两年多来,“悟空”探测到了40多亿个高能宇宙射线,只从中搜寻出了几十个疑似异常的正负电子事例。

  虽然暗物质还没有“脱下马甲”,但各团队的搜寻工作,也为暗物质的属性给出限制条件。“任何一种方法都有适合的探测区间,如果在这一区间一直没有发现,大家就要考虑去其他区间寻找。”袁强表示,天上和地下的探测结果可以互相佐证,互相启发。他很赞同这样一种比喻——对暗物质粒子的寻找有点像盲人摸象,但最后,确实可能拼出一副完整图景。

  关于暗物质探测的时间表,袁强个人认为目前没有办法确切给出。“在地下进行的实验,目前还没有发现异常;在空间中的实验,即使发现了一些异常,也不容易确认它就跟暗物质有关,还需要进一步论证。”

  如果能找到暗物质粒子,就将翻开物理学的新篇章。“很多人喜欢问我们,研究暗物质有什么用?暗物质对实际生活的作用我们确实不知道,但科学史告诉我们,每一次基础科学的突破,都会带来技术上翻天覆地的变化,那些技术会直接影响我们的生活。”袁强强调。


来源:科普中国

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