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2019年,暗物质搜索不停步

2019-01-11 09:11来源:科技日报

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  LSST效果图图片来源:LSST官网

  宇宙中藏着某种神秘的东西,它看不见摸不着,我们仅能通过它施加给宇宙万物的引力,得知它的存在,这就是所谓的“暗物质”。暗物质对于解释恒星在星系中的运动以及人类观测到的其他宇宙现象必不可少,或许是很多宇宙事件的“幕后黑手”。

  从上世纪80年代起,物理学家建造了一系列高精尖探测器,来寻找暗物质,但到目前为止,即使在最尖端复杂的实验中,暗物质也没有显露过哪怕一丝真容。

  2019年,在暗物质玩的这场“躲猫猫”游戏中,科学家们将进入博弈的新阶段。从藏身地下的巨大探测器到高高在上傲视全天的大型望远镜,今年将进行的四大暗物质实验或许会给我们带来惊喜。

  LIGO升级帮助寻找暗物质

  2015年,“激光干涉仪引力波天文台”(LIGO)首次直接观测到引力波,让世界为之震惊和沸腾。在对设备进行一系列升级后,它将于今年早些时候开始第三轮观测。届时,它收集的数据将比以往任何时候都多。有科学家称,使用引力波数据有望揭示暗物质的“蛛丝马迹”。

  2018年,有研究人员提出,如果宇宙某处潜伏着一个质量很小的“暗光子”,它的信号可能会在LIGO数据中出现,导致引力波特征出现非常特殊的不规则性。

  暗光子是人类假想的普通光粒子的双胞胎粒子,如果它们存在,将是解释暗物质的一种方式。

  研究人员希望,地面和未来的基于太空的引力波探测器能够做出重大发现,使暗物质研究尘埃落定。

  随着LIGO“王者归来”,科学家很有可能在引力波数据中发现暗物质存在的证据。

  弄清惰性中微子“真实身份”

  惰性中微子也被认为是暗物质的候选粒子。在新的一年里,物理学家试图厘清两者的关系。

  早在上世纪90年代,在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室中运行的液体闪烁中微子探测器(LSND)实验中,科学家发现了一种被称为“惰性中微子”的神秘新粒子的证据。然而在接下来的20多年中,这一结果一直无法重复,其他实验没有找到任何关于该粒子的迹象。

  2018年,事情突然出现了转机:美国费米国家加速器实验室的“助推器中微子实验”(MiniBooNE)再次探测到了该信号,表明除了电子中微子、μ中微子和τ中微子外,第四种中微子——惰性中微子可能真的存在。

  中微子可以几乎不受阻碍地穿过其他物质,就如同其他物质不存在一样,因而被称为“幽灵粒子”。但常见的三种中微子质量太小,不可能是构成暗物质的成分。而惰性中微子是一种质量更大、与普通物质间的相互作用也更弱的中微子。

  有科学家认为,如果惰性中微子的质量足够大,就可能是寻找已久的暗物质。他们希望能在2019年弄清楚惰性中微子的“真实身份”。

  大型综合巡天望远镜“开眼”

  “大型综合巡天望远镜”(LSST)是科学家们正在智利建造的一台望远镜,每隔15秒,它就可以拍摄到大片天空的详细图像;每3天就能完成一次全天空扫描。

  众所周知,暗物质塑造了星系及其恒星相互运动和相互作用的方式。LSST的目标是提供有关宇宙如何运作的前所未有的细节,这应该能为天体物理学家提供大量有关暗物质性质及其在宇宙中所起作用的数据。

  2019年,研究人员将首次打开该望远镜重达2800千克的“眼睛”,让其对整个天空投去深情的一瞥。LSST有望在2022年进入完全运行状态,并在智利北部的帕切翁山展开为期10年的全天巡视。在10年时间里,它将对获得的图像进行比较,以追踪天空的变化规律,为理解暗物质如何“搅动”宇宙提供最深入的数据资源。

  捕捉氙气与暗物质碰撞产生的微光

  一直以来,粒子物理学家推测,暗物质的第一个直接标志可能是一道闪光:由于暗物质在非常暗的房间内与惰性物质发生碰撞,这些物质会发出微弱的光斑。几十年来,科学家根据这一原理建造了探测器,但迄今为止,没有一个探测器产生确定的结果。

  因此,有不少科研团队决定另辟蹊径——有的对现有设备进行升级,还有的则是建新的探测器来寻找暗物质。

  2019年,中国科学家将在“粒子和天体物理氙探测器”(PandaX)平台上努力工作,该平台昼夜不停地盯着氙气寻找闪光——如果氙原子同暗物质粒子发生碰撞,产生的微光将会被探测器捕捉到。科学家正加速升级该探测器,希望在2019年—2020年完成大部分工作。升级后的探测器将称为“PandaX-xt”,可容纳4吨氙气。

  美国的暗物质研究人员也不甘示弱。位于美国南达科他州一座废弃金矿地下约一英里处的“大型地下氙实验(LUX)”也将全面升级,更名为“LUX-Zeplin”,容纳10吨液态氙。与“PandaX-xt”一样,该项目可能要到2020年之后才完工。

  意大利也计划将其探测器“XENON”升级至8吨液态氙规模,名为“XENON-nt”,升级可能在2019年完成。

  上述四种搜寻方法,会让科学家在2019年获得暗物质的确切证据吗?我们并不确定。或许暗物质真的存在,不过是以截然不同于我们预期的方式存在。

  不管怎样,人类对宇宙的探索永无止境,许多未解之谜等待解开。比起找到暗物质,更大的探索还在后面,但暗物质像一把钥匙,能够打开物理学更深层次理论的大门。(记者 刘 霞)

[责编:张佳兴]

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