四川锦屏山建世界最深实验室 力寻暗物质(图)

科学达人 黄璇 记者 李月红

科学家认为,人类的身边游离着数量众多的暗物质,总量大约是常规世界物质的6倍。它们不发光,而且极少与常规物质发生作用。

过去十多年来,许多科学家正穷尽各种实验方法,试着与它们“接触”。如果如愿,这将极大地丰富人类对宇宙的理解。

中国的研究者如今正走在最前沿。在四川锦屏山地面以下2400米处,这里建立了世界上最深的实验室。从今年下半年开始,PandaX暗物质探测团队牵头人、上海交大物理与天文系主任季向东教授和他的团队将正式开始在锦屏山实验室收集数据。

季向东说:“我希望是中国人最先把这个谜底揭开。期待在未来的一两年,在这个实验室,能够在这一科研领域有所发现。”

暗物质深藏不露

暗物质既不发光也不发射电磁辐射,有科学家评价称它的神奇之处就在于“无处不在,却从未被发现”。目前比较普遍的观点认为,一类名为“弱相互作用大质量粒子(WIMP)”构成了暗物质,这些微观粒子每时每刻都在以百倍于子弹的速度,穿透地球万物,包括我们的身体。因为它们几乎不与常规物质发生作用,所以即便是被穿透,我们的身体也安然无恙。

这些粒子除了发生“弱相互作用”外,还有万有引力作用。中科院理论物理研究所研究员李淼说:“暗物质就像黏合宇宙万物的胶水,维持着恒星和星系间的聚集,如果没有它们,星系将分崩离析。”

尽管暗物质的存在已经被普遍接受,但寻获它的“真身”实在不易,目前被广泛认可的粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中都不包含能解释暗物质的基本粒子。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次说:“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云,它将预示着物理学的又一次革命。”

在今年6月举行的中科院新闻发布会上,理论物理研究所的于渌院士说,中国在探测暗物质和暗能量上有得天独厚的条件。而这得天独厚的优势正是指我国在四川锦屏山底建立的世界上最深的实验室。中国科学家们正在地面以下2400米处,借助灵敏探测器监测着暗物质的随时出现。

科学家守株待兔

也许有人会觉得奇怪,科学家为啥要“钻”到地下去找寻无处不在的暗物质呢?其实,这是由于地面上具有高能量和穿透力的宇宙射线众多,它们会对直接探测产生干扰,而厚实的岩层则是隔离干扰的绝佳天然屏障。

四川在建设锦屏水电站的过程中,在锦屏山底曾修建了18公里可以通行汽车的隧道。由于上面覆盖着2400多米厚的山体岩石,这在研究暗物质的科学家眼里,成了梦寐以求的实验圣地。

2010年12月,由清华大学和二滩水电开发有限责任公司创建的中国首个极深地下实验室就在这里落成了,它拥有着全世界最深的岩石覆盖,是世界一流的洁净的低辐射研究平台,探测器可以通过岩石屏障“挡”去干扰,专心寻找暗物质。现在,清华大学和上海交通大学的科研团队都已进驻这里,分别采用低温半导体和液氙探测器对暗物质展开探测研究。

在微观研究领域下,科学家们若想将“深藏不露”的暗物质捉住,唯一的方法就是等待可能参与组成暗物质的WIMP粒子在飞行中偶然与常规物质的原子核碰撞。

为此,季向东的暗物质探测团队正在这个“岩石下的实验室”里通过搭建一个由液氙做成的原子核“树林”,等待暗物质这只“兔子”去撞树。因为当暗物质与常规物质的原子核碰撞后,原子核会发出一些微弱的光、振动或电子信号。科学家需要造出尽可能灵敏的探测器去放大这些微弱的信号,并“守株待兔”地将它捕获。期盼不要错过这道由暗物质所带来的奇妙之光。

季向东介绍道:“我们实验室中的液氙探测器是一个直径约60公分,高约15公分的圆柱体靶子,它放在一个能抵挡岩石辐射的高屏蔽体中央。液氙是一种适于捕获暗物质的材料,但它很重,一般以百公斤为计算单位。我们实验室的液氙靶是中国自主研发的,达到了百公斤量级的世界先进水平。为了让它更高效地‘抓捕’暗物质,我们将来还会给它升级到500公斤甚至是1吨级别。”

由于暗物质与原子核碰撞产生的信号很微弱,捕捉到这些信号变得异常关键,对此,季向东充满了信心,“这里的仪器灵敏度世界一流。可以这么说,虽然每秒钟都有上百亿个暗物质粒子穿过我们的液氙靶,而且不发生碰撞作用,但只要每天有一个暗物质粒子能够和原子核碰撞产生光电信号,我们的仪器都可以灵敏监测到它。这个‘捕获概率’达到了世界领先水平。”

谜底揭开待有时

人类对暗物质的认识,就像“闻香识女人”,只来自间接观测证据,迄今,没有强有力的直接证据让科学家能信心满满地宣布:“暗物质被找到了。”回顾人类探索暗物质的历程,可谓充满艰辛和挑战,但科学家们却在一直努力接近它、探索它、了解它。

从半个多世纪前,加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基在观测球状星系旋转速度时首次提出了关于“暗物质”的概念及推测一直到今天,已有越来越多的科学发现预示暗物质的存在。

今年4月3日诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心,首次公布其领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目18年之后的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

6月,有美国哈佛等学者称,组成宇宙大部分物质的神秘暗物质可能部分是由不可见几乎不可触摸的反原子、反电子和反质子组成。有人推测,这可能并非适用于组成暗物质的所有形式。有的研究人员认为新类型的暗物质或可能存在。

探索暗物质之谜,或许还有很长的路要走;但它凝聚着人类的好奇心、勇气、智慧与执着;是它们,启动了人类不断前进的“密码”。正如季向东所说,“为了这个实验,我们已经准备了4年,我们期待在未来的一两年,能够在这一科研领域有所发现。”

从今年下半年开始,PandaX暗物质探测团队将正式开始在锦屏山实验室收集数据。“乐观估计,未来5到10年,暗物质的庐山真面目将会展现在世人面前。当然,我希望是中国人最先把这个谜底揭开。”季向东说。

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