神秘暗物質(zhì) 我要找到你

　　哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)拍攝的六幅星系團(tuán)照片，科學(xué)家用它們來(lái)研究星系團(tuán)碰撞時(shí)暗物質(zhì)的行為 圖片來(lái)自NASA官網(wǎng)

　　本地記者 唐 婷

　　夜幕降臨時(shí)，滿天的繁星足以讓人們感嘆宇宙的浩瀚。而事實(shí)上，你所能看到的恒星以及所有星系可能不到宇宙質(zhì)量的5%。而天文學(xué)的觀測(cè)表明，剩下的約95%是由看不見(jiàn)的暗物質(zhì)和暗能量組成。

　　近日，國(guó)際合作項(xiàng)目“暗能量巡天”公布的最新研究結(jié)果進(jìn)一步支持了前人結(jié)論——宇宙質(zhì)量26%為暗物質(zhì)，70%為暗能量。

　　盡管看不見(jiàn)摸不著，但為了捕捉到暗物質(zhì)的身影，科學(xué)家們正在窮盡一切可能。

　　身披隱身衣，躲不過(guò)科學(xué)家火眼金睛

　　如同穿了隱身衣一般的暗物質(zhì)，最早是如何暴露行蹤的呢？

　　荷蘭天文學(xué)家雅各布斯·卡普頓通過(guò)研究銀盤(pán)上恒星的垂直運(yùn)動(dòng)，推測(cè)應(yīng)該有更多的物質(zhì)存在，從而在1922年提出了“暗物質(zhì)”的概念。之后又有更多的天文學(xué)家，包括詹姆士·金斯、簡(jiǎn)·奧爾特等做了類似的研究，也得到了類似的結(jié)論。但受限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，他們認(rèn)為暗物質(zhì)和通常的物質(zhì)類似，只是看不到而已。

　　上世紀(jì)30年代初，美國(guó)加州理工大學(xué)的天體物理學(xué)家弗里茨·茲威基首次在觀測(cè)中找到了暗物質(zhì)存在的可能證據(jù)。他測(cè)量了后發(fā)座星系團(tuán)中各個(gè)星系相對(duì)于星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，發(fā)現(xiàn)它們運(yùn)動(dòng)得太快，以至于僅靠星系團(tuán)中可見(jiàn)星系提供的引力無(wú)法將它們束縛在一起。

　　“就好比是繩子上牽引著一個(gè)球，當(dāng)球快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能感覺(jué)到繩子越繃越緊，速度快到一定程度，會(huì)出現(xiàn)繩子斷裂，球飛出去的情況。” 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍打了個(gè)比方。

　　然而，星系并沒(méi)有因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)速度太快而飛出星系團(tuán)，星系團(tuán)也沒(méi)有被撕裂。茲威基推斷，一定是該星系團(tuán)中充滿了大量不可見(jiàn)的“物質(zhì)”，它們的引力足夠強(qiáng)，可以把星系團(tuán)束縛在一起。

　　更為大膽的是，茲威基認(rèn)為這里的物質(zhì)是完全不同于通常物質(zhì)的另外一種物質(zhì)，并且起名為“暗物質(zhì)”。

　　時(shí)間到了上世紀(jì)70年代，美國(guó)天文學(xué)家維拉·羅賓和肯特·福特在觀測(cè)仙女座星系中恒星旋轉(zhuǎn)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒星到星系中心距離增加時(shí)，其旋轉(zhuǎn)速度并沒(méi)有下降，如果沒(méi)有暗物質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)大引力，高速旋轉(zhuǎn)的恒星勢(shì)必會(huì)跑到星系外。

　　魯賓和福特的觀測(cè)結(jié)果給出了那個(gè)時(shí)代有關(guān)暗物質(zhì)的最強(qiáng)證據(jù)。隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們從更多的天文現(xiàn)象中，如星系團(tuán)的強(qiáng)引力透鏡、微波背景輻射的功率譜中找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

　　盡管暗物質(zhì)看不見(jiàn)，但因?yàn)樗墚a(chǎn)生足夠大的引力，所到之處多少會(huì)留下痕跡，科學(xué)家們?cè)噲D據(jù)此給它畫(huà)像：不發(fā)光、壽命長(zhǎng)、作用弱等等。

　　在畫(huà)像的同時(shí)，科學(xué)家希望能探測(cè)到暗物質(zhì)粒子的“真身”。“揭開(kāi)暗物質(zhì)微觀粒子本質(zhì)是21世紀(jì)物理與天文學(xué)最重要的科學(xué)目標(biāo)之一，根據(jù)目前的主流理論，暗物質(zhì)很可能是一種超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的‘弱相互作用重粒子’。” “熊貓計(jì)劃”（PandaX）暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)第二負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)教授劉江來(lái)表示。

　　“熊貓”地下織網(wǎng)，捕捉暗物質(zhì)真身

　　在尋找暗物質(zhì)的過(guò)程中，各國(guó)科學(xué)家爭(zhēng)分奪秒。目前暗物質(zhì)探測(cè)方式主要有三種：地下直接探測(cè)、空間間接探測(cè)和加速器實(shí)驗(yàn)。

　　在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的“熊貓計(jì)劃”采用的便是地下直接探測(cè)的方式，對(duì)暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互作用的信號(hào)進(jìn)行直接探測(cè)。他們采用液氙技術(shù)，捕捉暗物質(zhì)和氙原子發(fā)生碰撞的信號(hào)，一旦產(chǎn)生碰撞，氙原子會(huì)發(fā)光，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生自由電子。

　　選擇在深部地下進(jìn)行探測(cè)，是為了盡量屏蔽宇宙射線的干擾。茍利軍表示，采用液氙技術(shù)探測(cè)暗物質(zhì)粒子，好比是在大池子中捕魚(yú)，科學(xué)家們織就的“漁網(wǎng)”要盡可能的大，才能增加在較短時(shí)間里捕到“魚(yú)”的概率。

　　“熊貓計(jì)劃”的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手十分強(qiáng)勁。已經(jīng)結(jié)束運(yùn)行的美國(guó)LUX合作組在今年1月正式發(fā)表250公斤級(jí)探測(cè)儀過(guò)去四年運(yùn)行的最終數(shù)據(jù)，超過(guò)了“熊貓計(jì)劃”在2016年7月發(fā)表的世界最靈敏探測(cè)結(jié)果。位于意大利的XENON1T是目前世界上正在運(yùn)行的最大暗物質(zhì)探測(cè)儀，探測(cè)區(qū)域的液氙達(dá)兩噸，該實(shí)驗(yàn)合作組于今年5月公布了首個(gè)結(jié)果，其靈敏度又超越了LUX。

　　很快，這一紀(jì)錄再次被改寫(xiě)。北京時(shí)間8月8日凌晨，“熊貓計(jì)劃”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)鴻文講席教授季向東在“2017年度國(guó)際高能粒子天體物理大會(huì)”上公布了該項(xiàng)目合作組最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果——在“54噸·天”的國(guó)際最大曝光量下，得到了暗物質(zhì)與核子的碰撞截面應(yīng)小于“6×10-47平方厘米”限制，再次刷新了對(duì)暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀(jì)錄。

　　“這是對(duì)暗物質(zhì)可能存在的參數(shù)空間做出的最強(qiáng)限制。”劉江來(lái)介紹。雖然暗物質(zhì)還沒(méi)有被找到，但它的藏身范圍，已經(jīng)縮小。

　　“6×10-47平方厘米”意味著什么？劉江來(lái)解釋道，這一面積用來(lái)表示兩種粒子之間的碰撞概率，可以想見(jiàn)，這是一個(gè)非常小的數(shù)值，意味著碰撞概率極低。“目前探測(cè)儀還沒(méi)有探測(cè)到一例暗物質(zhì)粒子碰撞事件，繼續(xù)提高探測(cè)靈敏度是下一步要做的。”

　　“悟空”上天巡視，尋覓暗物質(zhì)痕跡

　　“熊貓計(jì)劃”緊密進(jìn)行的同時(shí)，我國(guó)首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”也正在太空中尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

　　“悟空”的英文名字是“DAMPE”。中國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)在一次講座中說(shuō)道，DAMPE是一個(gè)尋寶游戲中的關(guān)鍵人物，要找到寶貝，必須先找到它。“取名DAMPE，是希望它能領(lǐng)著我們找到暗物質(zhì)粒子。”

　　根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子湮滅或相互作用后可能會(huì)產(chǎn)生高能光子，如果能夠精確測(cè)量這些光子的能譜，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的“指紋”。空間間接探測(cè)，主要是對(duì)宇宙星系中暗物質(zhì)的湮滅或微衰變產(chǎn)生的次級(jí)粒子進(jìn)行探測(cè)。“悟空”之外，目前在進(jìn)行空間探測(cè)試驗(yàn)的，還有國(guó)際阿爾法磁譜儀、美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星等。

　　在分析空間探測(cè)的難點(diǎn)時(shí)，茍利軍指出，宇宙是一個(gè)巨大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，時(shí)刻發(fā)生各種各樣的粒子發(fā)生湮滅衰變的信號(hào)，如何扣除背景信號(hào)得到有效信號(hào)，是需要解決的問(wèn)題。

　　“悟空”工作軌道為高約500千米的晨昏太陽(yáng)同步軌道，每天平均觀測(cè)500萬(wàn)個(gè)高能粒子，每天回傳的數(shù)據(jù)量約16G，相當(dāng)于一部高清電影的數(shù)據(jù)量。地面上100多人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)展分析研究。它的觀測(cè)能段范圍是國(guó)際阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)的10倍，探測(cè)器能量分辨比國(guó)際同類探測(cè)器高3倍以上。

　　清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫介紹，在“上天”“入地”之外，還可以通過(guò)加速器實(shí)驗(yàn)探測(cè)暗物質(zhì)。即通過(guò)人造加速器把標(biāo)準(zhǔn)模型粒子加速到很高能量后碰撞，通過(guò)測(cè)量碰撞反應(yīng)中的丟失能量給出對(duì)于暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和反應(yīng)截面的限制。“這三種暗物質(zhì)研究方法相互獨(dú)立、相互補(bǔ)充和相互檢驗(yàn)”。