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体育投注教程·为什么要搜寻暗物质?因为科学家想挠“痒”,一个宏大的痒

发布时间:[ 2020-01-11 19:15:34]
[摘要] 寻找暗物质还有助于解释深空观测中的光学错觉——即在望远镜观测结果中,一些星系带有奇怪的光弧或光环。简而言之,科学家搜寻暗物质,是为了挠痒——一个宏大的痒。这是最主要的暗物质候选粒子,是多个探测器搜寻的对象。其实,对毕生追寻暗物质的研究人员来说,“没有结果”的重要性丝毫不亚于有所发现。子弹星团由两个相互撞击的星系团构成,呈现出暗物质存在的证据。

体育投注教程·为什么要搜寻暗物质?因为科学家想挠“痒”,一个宏大的痒

体育投注教程,这是科学界缺失的最大一块拼图:我们能观测到的物质,仅占所有物质的百分之五。本文所讲述的,是史诗般的暗物质搜寻之旅。

位于加拿大安大略省的snolab实验室

加拿大有一座独特的矿井,名为克雷顿矿。它位于安大略省萨德伯里郊外的森林。在那里,好奇的熊类常常出没,到人们后院觅食覆盆子。矿工们头戴蓝色安全帽,前往地下开采镍矿。他们在漆黑之中,踏入半开半合的升降机,颤颤巍巍地下探到空旷的洞穴内;和他们同行的,还有另一群头戴橙色安全帽的人。这些人的目的截然不同,他们要开采的,是一片虚空。

至少到目前为止,还是一片虚空。

他们是一群物理学家,供职于巨型地下实验室snolab。其深度达2公里,能摞下四个半帝国大厦。snolab的探测器巡视整个宇宙,搜寻一种稍纵即逝的东西:暗物质。人们相信,宇宙中绝大部分物质都由它构成。

这是一场宏大的搜索,但截至目前,我们依然一无所获。

眼下,在宇宙所有物质中,我们能探测到的仅占区区5%,它们构成了所有的星系、恒星、行星、黑洞、类星体、脉冲星、中微子——以及人类和其他所有地球生命。除去它们,其余都是未知的东西:暗物质(25%),乃至更加神秘的暗能量(70%)。我们能观察到暗物质对恒星和星系的引力作用,但经过百般尝试,就是无法用任何仪器,捕捉到它的“暗”粒子。

为什么要费力捕捉?诚然,我们无法使用暗物质,制造出新一代的宇宙智能手机,也不能用它点石成金。但通过观察暗物质,我们或许能够理解:星系何以聚而不散——以我们观测得到的原子物质来看,它们早该分崩离析了。毕竟,我们所处的银河系,据信就窝在一大片暗物质之中,那就是所谓的暗物质晕。

寻找暗物质还有助于解释深空观测中的光学错觉——即在望远镜观测结果中,一些星系带有奇怪的光弧或光环。研究人员说,这些星系的前景中,有一大团暗物质,其作用相当于巨大的引力透镜,扭曲了来自星系的光,并放大了星系的成像。这种现象被称为引力透镜效应。

简而言之,科学家搜寻暗物质,是为了挠痒——一个宏大的痒。

“夜深人静时,你久久不能入睡,思索着‘这一切究竟意味着啥?’就是这样一种痒。”德国弗赖堡大学的实验物理学家丹尼尔·科德雷(daniel coderre)说。

研究人员乘坐升降机,下到2千米深处,再在矿井中徒步穿行1.4公里,才能抵达snolab实验室。

乔·沃尔丁(joe walding)是伦敦大学皇家霍洛威学院的一名物理学家,常去snolab工作。他踏入上下两层的升降机,下探过程需要约六分钟,而且不适合胆小人士:升降机内没有照明,伸手不见五指;顶部是半开放式的,下探过程伴随剧烈的摇晃和撞击,晕厥现象时有发生。“胳膊自然是不能伸出去的,不然会折断。”沃尔丁半开玩笑地说。

他心情不错——这阵子,这里很多物理学家都是如此:今年5月,snolab的科学家接到一则好消息。美国能源部已经批准向该实验室(于2011年启动)拨款,用于建造全新的暗物质实验探测器,定于2020年启动运行。

这个超敏感的supercdms将耗资3400万美元,其性能超过该领域任何探测器。它的任务,是发现其他任何探测器都未发现的东西——是不是有些艰巨?

自70年代以来,大把大把的金钱砸入暗物质实验,不论是在太空,还是地下。经过数不尽的挑灯夜算,以及铺天盖地的媒体报道,研究人员始终两手空空。除snolab之外,我们还有lux实验,它地处美国南达科他州,在一座废弃的地下金矿内,距地面1.6公里,但至今一无所获。法国还有edelweiss实验,在阿尔卑斯山下,位于1.7公里的岩石下方,同样毫无进展。中国有pandax实验,位于贵州锦屏地下实验室,但也没有找到任何粒子。去年,印度的贾杜戈拉地下科学实验室启动,距地面550米,在一座运营中的铀矿内。目前也是毫无收获(毕竟只找了一年)。如此种种,不一而足。

盛行的理论是,构成暗物质的粒子只通过引力——即施加引力——与普通原子物质或光,产生相互作用。supercdms所要寻找的,是这种奇特粒子中的一类:大质量弱相互作用粒子(wimp)。这是最主要的暗物质候选粒子(也有说是可能性最大的粒子),是多个探测器搜寻的对象。为了创造这些粒子,科学家甚至动用了世界上规模最大、性能最强的粒子加速器:位于日内瓦附近的大型强子对撞机(建造成本近70亿美元)。但也是徒劳无获。

寻找一种未知的事物,虽然一无所获,但还是能要到经费,继续竹篮打水——这样的情况还能维系多久?其实,对毕生追寻暗物质的研究人员来说,“没有结果”的重要性丝毫不亚于有所发现。

“唯一的区别在于:找到了暗物质,你能得诺贝尔奖;但与之同等重要的,是限定暗物质存在的区间。”意大利国家核物理研究所的物理学家沃尔特·富尔吉奥内(walter fulgione)说。因为,将这个界限不断收紧,就能排除看似可行的假说,缩窄搜索范围。毕竟,1916年,爱因斯坦就预言了引力波,但探测它用了一个世纪;希格斯玻色子也是历经近半个世纪,才被大型强子对撞机捕获。研究人员清楚自己在寻找什么,经过年复一年的一无所获,他们得以收紧搜索范围。

“这场游戏的玩法,就是通过日积月累,稳步推进,慢慢缩减可能的模型范围。”美国费米国家加速器实验室(fnal)的天体物理学家丹·胡珀(dan hooper)说。

阿维·勒布(avi loeb)是哈佛大学的一名天文学家,他将科学描述为“一座知识的孤岛,四面被无知的海洋所围绕。”在一片沙漠中,要找到一头狮子,你可以不断扩大没有狮子的区域,使剩下区域不断缩小,最终锁定狮子的足迹,他说。但这样做的前提,是你知道沙漠里有狮子。好在,多数研究人员都认为,和沙漠之狮一样,暗物质是存在的,它就在某个地方。

子弹星团由两个相互撞击的星系团构成,呈现出暗物质存在的证据。

升降机砸到克雷顿矿的井底,经过一顿窜,总算停稳当了。要抵达snolab,研究人员还得穿越近两公里黑暗、狭窄的隧道,从镍矿矿工和采矿设备旁,小心地绕行。

但他们要留意的,还不只是采矿作业。在地面上,矿井周围常有熊出没。一次,一名研究人员出外吸烟,突然跟三头未成年黑熊打了个照面。一头熊还把头凑到了他的膝盖旁。“他一回来,就猛喝酒压惊。”回忆起当时的场景,沃尔丁忍不住笑了。

这座镍矿启动于上世纪20年代,但物理实验室1992年才成立。之所以选在地下深处,不是因为地面上空间不够,而是为了屏蔽宇宙射线的高能粒子,以免高灵敏度的探测器受到干扰。这些粒子通常是质子,来自宇宙中的遥远角落,到地球大气层中,化成其他无数粒子,散落下来,每时每刻,我们都接受着它们的洗礼。“我们尤其担心的是介子,它们会跟探测器周边的物质发生反应,形成中子,跟暗物质信号混淆。” 科德雷说。不过,厚厚的岩层可以拦截它们,消去这一背景噪音。

虽然snolab(以及别处)的暗物质搜寻至今无果,但在克雷顿矿的帮助下,有一位科学家——阿瑟·麦克唐纳(arthur mcdonald)——凭借中微子研究,荣获了2015年诺贝尔物理学奖。

中微子是一种幽灵般的粒子,几乎没有质量。在超新星爆发等激变发生时,恒星的内核会产生中微子,但地球上也会产生中微子。就像暗物质一样,曾经的它也只是存在于理论中,最早提出于1930年;历经26年,第一颗中微子才被探测到。

为容纳supercdms,实验室将进行升级,增加供电、照明和制冷能力。新的实验装置将包含一个固态锗硅探测器,被冷却到极端低温,跟绝对零度只差丝毫。探测器将由胶囊式的外壳包裹,投入一个水箱,这些水也是一种屏障,可以削减矿井射线的背景噪音。装置的很多组件将在地面实验室组装并测试,包括费米实验室、slac国家加速器实验室和西北太平洋国家实验室(pnnl)等地,但最后组装将在地下进行,由snolab完成。

要是supercdms还是毫无斩获呢?同一座矿井中,还有其他一些实验,比如deap-3600实验,它的技术略有不同,即使用惰性气体氩气,探测wimp粒子。沃尔丁就从事于这项实验。在新实验开展的同时,这些探测器将继续搜索wimp。

但对科德雷而言,围绕暗物质理论,“没有结果”反而提供了一种重要的反馈,迫使理论作出调整。“一无所获固然令人失望,但搜寻一种全新的东西就是这样,这是你必须接受的一种结果。”他说,“暗物质问题存在一个正确答案,现在,这个答案隐藏起来了,而我们正在尽全力找到它。”

这意味着多条“战线”同时出击。在废弃和正在运营的矿井中,在大山深处,在太空之中——很多实验都在搜寻wimp。真正的关键,在于跨越几十年的稳步积累,慢慢缩小暗物质可能模型的范畴。

“supercdms很可能在它的这条战线上取得扎实的进展。”胡珀说。他还表示,新探测器将聚焦一个新的wimp质量区间,比其他探测器假设的质量要轻很多。尽管其他实验失败了,但snolab未来实验的胜算并不会因此降低,因为它可以缩小暗物质候选粒子的区间。

鉴于supercdms还处于规划阶段,我们不妨将视线转向意大利。

在距罗马一小时车程的亚平宁山脉之下,科学家历经几十载,一直在猎寻暗物质。他们的暗物质探测器位于拉奎拉市附近。为抵达实验室,你要进入一条10公里的隧道,开上七分钟,直抵最高峰大萨索山的底部。在一个特殊出口拐出,按一个按钮,再用意大利语向门卫自报家门,接着,两扇巨大的金属门缓缓开启,空旷的洞穴展现在你眼前,那就是大萨索山国家实验室——这里坐落着当今世界最灵敏的暗物质探测器——xenon1t。

实验室成立于1984年,头二十年里,主要研究对象是中微子和宇宙射线。2002年,第一台探测器xenon10启动。此后,它一路升级到xenon100,如今已是xenon1t,试图捕捉wimp与普通物质的相互作用。

实验室的地下空间硕大无朋,分成三个“大厅”,每个长约100米,宽20米,高18米。xenon1t就处在其中一个。每个大厅都有自己的实验,所有实验加起来有18项。它们涉及各种课题,从探测太阳中微子,到探究太阳内部,到试图捕捉马约拉纳费米子(一种假想粒子)的世界最大探测器。约有950名研究人员供职于该实验室,他们来自32个国家。

在暗物质大厅,最大的架构是一个直径10米、高11米的巨型水箱,很像装粮食的筒仓。它的旁边,是一个三层玻璃建筑,里面塞满低温管、泵、制冷器、子系统和电子设备,它们的目的只有一个:维护探测器。探测器本身位于水箱内部,封在一米厚的不锈钢低温恒温器内。探测器和周围一切都由低放射材料制成,旨在削减背景“噪音”——就像在snolab一样,放射性材料会发射出电子、伽马射线或中子,被探测器捕获;罕见的暗物质粒子要是真的出现了,也会被淹没其中。为进一步抑制不必要的背景干扰(比如宇宙射线),低温恒温器被浸入水箱,由700吨水所环绕,另外,顶上1400米的岩石也发挥了不小的屏蔽作用。

在低温恒温器内部,两吨超低温液氙将仪器包裹了起来。氙气不仅无色无味,而且是地球上最稀有的元素之一,主要产地是俄罗斯、南非和沙特,是炼钢的副产物。

总有一些电子、伽马射线,以及偶尔来自大气的介子,可以突破重重阻碍,闯入探测器内部。而氙原子被这些粒子激发时,会发射出细微的闪光,这是很多稀有气体的共同属性。而液氙有着强大的制动能力——它对路过的粒子十分敏感。

这些闪光会被光学设备捕捉,并进行分析。到目前为止,所有信号都被否定了。“我们要找的,是一种前所未见的信号。只有对背景噪音了如指掌,且背景噪音足够低,这才行得通。”科德雷说,他曾任xenon1t的分析协调员。

xenon1t于2016年启动运营,今年5月发表了最新一批数据,依然没有结果。但科学家表示,他们给暗物质效应值限定的区间,达到有史以来最窄:1平方厘米的万亿分之一的万亿分之一,即4.1x10-47平方厘米。效应值又称截面,代表wimp与普通物质——氙原子——相互作用的强度。为确定效应值,科学家梳理了279天的数据,按照估算,这期间最多可录得十场暗物质事件。结果,什么都没有——也就是说,wimp肯定比之前假定的还要小。

不论在地下实验室,还是山脉附近的研究设施内,任何时候都有两人值班。他们用平板电脑遥控操作探测器,持续关注数据读数,以免错过暗物质粒子。参与该实验的约有160名科学家,他们来自美国、欧盟和亚洲的26所科研机构。

为确保探测器一尘不染,并尽量避免探测器材料表面或内部进灰,从而混入放射性杂质,在组装时,研究人员要“全副武装”,外套、面罩、靴子等一应俱全。哪怕是一个指纹,都可能毁掉多年的努力。

很快,这一切又要从头来过——今年12月至明年1月,xenon1t将被关停,取而代之的,将是更大的xenonnt。这次更新换代将耗资数千万欧元,由协作各方分摊。外层水箱还是那一个,但这一次,液氙将从2吨变成6吨。新仪器的数据处理工作,预计将于2019年底启动。

如果依然毫无所获,大萨索山的科学家很可能换成更大的探测器,再作最后一次尝试,再不行就要换技术了。“随着大型强子对撞机和xenon大型暗物质实验进入下一阶段,对传统大质量wimp的搜寻自然会有结论。”费米实验室的丹尼尔·鲍尔(daniel baur)说,“未来几年,暗物质被发现的概率还是有的,但要是没发现,通行的wimp理论可能就不是正解了。”

尽管wimp探测器仍在孜孜以求,但越来越多的科学家围绕暗物质本质,发展起了别的理论,并试图利用实验,进行捕捉。科学家从各个方向入手,试图拼出暗物质的拼图。其中的“拼块”有轴子——质量远远更轻的假想暗物质粒子;以及惰性中微子——一种中性粒子。

日本卫星“瞳”在运行数周后,突然自行解体。

轴子并不是一个新概念,它最早提出于1977年,按照假设,它比wimp轻得多。几十年来,它反复徘徊于得宠与失宠之间。但如今,鉴于所有wimp捕捉器都无功而返,很多科学家开始退而求其次,将轴子作为求证对象。

按照理论,轴子与光子会发生相互作用——作用力非常微弱,但依然存在。华盛顿大学的轴子暗物质试验(admx)就是以此为切入点,试图捕捉轴子。不同于snolab和xenon1t,admx就在一个普通实验室内。探测器装在一个约四米高的水箱里,由一块很大的超导磁铁和一个微波谐振腔组成,原理类似于无线电接收器,华盛顿大学物理学家格雷·莱布卡(gray rybca)说。就好比研究人员有一台收音机,要在不知道频率的情况下,搜索一个电台,于是,他们一点一点地扭动旋钮,试图在频率恰好调对时,收听到一个信号。

磁铁会产生强大的电磁场,轴子若是穿过其间,会发出相应的电磁辐射,其能量转化为一种微弱的微波信号,被接收器记录下来。研究人员可以用量子电子学,将其探测出来。比起宇宙射线或放射性活动,该实验寻找的信号,能量要低得多,因此admx不需要岩石或水的掩护。但手机、无线网络和电视信号还是要屏蔽的。“它就是一部无线电接收器。唯一的区别在于,实验的第一个步骤,是将轴子转化为无线电波。”莱布卡说。

admx建于1995年,已经有些年头了。2010年,它从劳伦斯利弗莫尔国家实验室迁至华盛顿大学。科学家表示,经过不断的升级,以它现在的灵敏度,终于能探测到轴子导致的弱相互作用了。

admx的温度是摄氏零下273度,只比绝对零度高0.15度。“制冷和液氦循环方面要投入大量的工作。”莱布卡说。因为有液氦,探测器才能维持如此低温,而且这一点非常重要,因为超导磁铁和量子电子设备要运转,温度必须足够低才行。另外,探测器越冷,背景噪音就越少,探测到的信号就越清晰。

多数情况下,实验室里都安安静静,空无一人,因为数据获取基本是自动化的。不过,研究人员还是要通过互联网,夜以继日地控制与监测实验进展。每年,实验都要停运一次,科学家将系统升温至室温,将磁铁内部的探测器取出。“这是实验室里最热闹的时候:所有人都戴着头盔和低温安全手套,小心翼翼地把系统挪到无尘室,在那里,我们会用几个月时间,给系统安装更新。”莱布卡说。

他坚信,到目前为止,暗物质搜索“都找错了对象”。他说,以admx的灵敏度,它足以探测到恰当的信号,剩下要做的,就是在可能的质量中,一个个找过去。“我们终于将音量调得够高了,现在,我们只需转动调频旋钮,直到听到信号。”他说,“我们的胜算不错,比以往任何时候都要高。”

眼下,admx正在研究 4g-lte手机频段对应的频率,但研究人员也在研发新技术,以探索频率更高的wi-fi频段,以及频率较低的调幅广播等频段。今年4月,admx发布最新结果——依然是没有结果,但对莱布卡而言,这很重要,因为这表明,该探测器具备寻找轴子所需的灵敏度。“如果我们把所有可能的质量扫描了个遍,还是没有结果,其重要性就会从另一个层面体现出来:我们预期轴子是存在的,因为某些核物理现象的解释离不开轴子。若找不到轴子暗物质,我们就面临一个问题:要么我们还不够理解核物理,要么我们对早期宇宙的了解还不够深入。因此,没有结果的结果会衍生出大量问题。”

在捕捉暗物质的行动中,很多科学家都忙着另辟蹊径。很多人甚至另辟引力理论,去解释不需要暗物质、暗能量的宇宙运行方式。不过近期,针对引力波(由两颗中子星碰撞所产生)的直接观测结果出炉,上述理论被干掉一大片。因此,“暗物质存在”这一猜测依然站得住脚。

意大利大萨索山下1400米处,xenon1t探测器被装在一个巨型水箱内。

若找不到轴子或wimp,我们还有一个备用理论:惰性中微子。这是一种假想粒子,只通过引力相互作用,而不是像“普通”中微子那样,与普通物质产生微弱的相互作用。

其理论是,特定质量的惰性中微子可能会衰变,产生一种x射线光谱特征,而这种特征能够被x射线光谱仪探测到。于是,日本宇宙航空研究开发机构jaxa联手美国宇航局(nasa),于2016年2月17日发射卫星“瞳”,希望它能充当那个光谱仪。只可惜,它没有坚持多久,在对英仙座星系团作了一番初步观察后,“瞳”突然解体成五块,当时,它只运行了三周。

这颗卫星造价2.73亿美元,可谓损失惨重。但科学家并没有灰心,美国和日本已经造出了替代品——一颗名为xrism的卫星。未来,它将搭载高解析度x射线光谱仪resolve和成像仪xtend,发射升空。该项目已于7月1日获得日本批准。据估计,新光谱仪的建造成本介于7000万至9000万美元之间。

团队将新的光谱仪命名为resolve(兼有“解析”和“决心”之意),是为了“赋予它更多的含义:既代表功能——将构成x射线的颜色解析出来,也代表决心——团队尽快恢复‘瞳’搁置进度的决心。”理查德·凯利(richard kelly)说,他是光谱仪的美方首席研究员。新的光谱仪将根据探测器接收到的热量,对光子进行探测。其运行温度将只比绝对零度高0.06度。它将观测星系团和单个星系,对照科学家对惰性中微子衰变的预测,寻找那个标志性的光谱特征,看看有没有与之相符的能量与强度。

它是基于一种假设,即x射线被探测器的微型像元吸收后,将能量转化为热量,而这些热量会被显微测温仪精确记录下来。resolve将对x射线进行逐一探测,然后围绕这些能量,形成一个柱状图,即光谱。“按照预期,惰性中微子应该有一个特定的能量值。如果这个能量值处在x射线频段内,我们就能用resolve,探测单个中微子,进而围绕它们的能量,生成柱状图,也就是光谱。”凯利说。如果这些中微子的能量界限分明,我们就有可能在光谱中,看到一条狭窄的特征线。

xrism应该在2020年4月到2021年3月期间发射。最后要是一无所获,那么还是一样:没有结果不代表没有意义。“在候选的暗物质粒子中,惰性中微子的可能性就可以排除了,这样一来,候选范围将大幅缩小。”马里兰大学天文学家理查德·穆肖斯基(richard mushotzky)说。

对参与其中的研究人员而言,搜寻暗物质有两种结果。借用著名物理学家恩里科·费米(enrico fermi)的话:“若假设被证实,你完成的是测量;若假设被证伪,你完成的就是发现。”在看似没有止境的暗物质搜寻过程中,“没有发现”的发现承载着重大的意义。

翻译:雁行

审校:李莉

编辑:漫倩

来源:wired

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