单位文秘网 2021-08-20 09:22:58 点击: 次
科学家在做科学实验时,经常空手而归。
2013年11月,美国科学家公布了“大型地下氙实验”(简称LUX)三个月的运行结果,他们没有探测到所要找的未知物质的粒子。尽管这样,LUX实验组的科学家们认为他们还是了解到了许多这种所探寻的粒子的蛛丝马迹。
他们找的未知物质的粒子是一种什么粒子呢?就是科学家已经提出了80多年的暗物质的粒子。对于我们来说,宇宙隐藏了它许多不为人知的秘密,而暗物质就是其中之一,而科学家一直在竭尽全力地去探测这种暗物质。
那么什么是暗物质呢?
暗物质是无法通过电磁波被我们观测到的物质,也就是说,是不与普通物质产生电磁相互作用的物质。目前,我们只可以通过引力效应来推测出宇宙中暗物质的存在。我们知道它的存在而无法直接观测到,所以说这种物质是“暗”的。科学家推测,宇宙中暗物质的总质量是可见物质的6.3倍,它主导了宇宙结构的形成。
暗物质存在吗?
暗物质既然无法被我们观测到,那么怎么能证明暗物质存在呢?
第一个发现暗物质存在的证据是关于星系自转的问题。我们知道引力的特点和规律,也知道星体如何运动。如果我们去观测一个星系、星系团,甚至宇宙更大的范围,我们会得到两个结论。第一点是,我们会发现所有天体的运动都遵循引力理论,不管这些天体具体是什么形态,也不管它怎么运动等等,我们都可以通过这些天体的运动状况,利用引力理论大概计算出它的质量;第二点是,我们通过观测来自这些天体的光谱和光度等,就可以分析出这些天体大概的质量。然而引力理论推测出的质量与根据实际观测而推测出的质量极其不匹配,前者远大于后者,所以一定有其他的无法观测到的物质在影响着这些天体的运动,科学家们就把这个未知的物质称为暗物质。
第二个证据来自于太初核合成理论的推测。科学家逆着时间去分析早期宇宙的情况时,发现那时宇宙如此炽热,以至于原子无法形成,而在更早一点连原子核都无法形成。宇宙大爆炸的原子核的合成发生在宇宙最初的3分钟,会对宇宙中氕、氘、氦-3和氦-4等元素的含量产生重要的影响。这种原子核合成的理论称为“太初核合成理论”,根据太初核合成理论推测出的数据,和我们可以观测到的数据相比,我们所能观察到的物质只有理论推测出的1/6。
第三个证据是对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量。根据宇宙标准模型的理论(即宇宙学常数-冷暗物质模型,是目前最简单的描述我们宇宙的标准模型),我们可以分析出宇宙中有多少正常物质,有多少辐射能量(暗能量),有多少不正常的物质,即暗物质。同样,得到的结果是暗物质占所有物质的5/6。
我们还可以通过研究所谓的“引力透镜”效应来推测暗物质的存在。我们在观测远处天体时,中间有大质量的天体存在的话,会引起远处天体光线的弯曲,这就是引力透镜效应。利用透镜效应,我们可以去计算出这个大质量的天体有多少质量,如果光线的弯曲程度超过这个可观天体可能造成的弯曲度,这说明附近有看不见的物质存在,以此可以发现暗物质。用这种方法对一个叫做“子弹”的碰撞星系团进行研究,就发现有暗物质的存在。这个互相碰撞的星系团是证明暗物质存在最有力的宇宙学证据之一。
这些事实告诉我们每一个星系和星系团直至宇宙更大的范围中,都弥漫着大量的暗物质。这些暗物质基本不与普通物质发生作用。每时每刻都有大量的暗物质粒子毫无察觉地穿越地球和我们,这些暗物质不仅很难与普通物质发生作用,而且也很难与自身发生作用。
暗物质粒子质量之争
几十年来,科学家们一直千方百计地寻找暗物质粒子,那么暗物质粒子究竟是大是小呢?
对于暗物质粒子的质量大小的推测,科学家们主要分为两个阵营:一些科学家认为粒子质量比较重,可以达到大约100倍质子质量。因为重的粒子可以用“超对称”这个理论来解释。超对称理论认为,对于我们所认识的粒子,如夸克、中微子和电子等等都有与之相对应的伙伴粒子。如果探测器探测到了这种重的粒子,那么这不仅仅是第一次检测到了暗物质,而且是第一个证明超对称理论的证据。超对称理论被科学家寄予厚望,它可以解释许多当今理论物理学难题,所以说重的暗物质粒子的发现会是一个重大事件。
但是,另外一些科学家认为暗物质粒子比较轻。虽然并没有什么理论推导出暗物质粒子是轻的,但一些实验声称已经找到了存在的证据。美国明尼苏达州的一个研究小组,使用锗晶体进行探测,探测到的暗物质粒子质量可能是质子质量的5到10倍,而低温暗物质搜寻计划的研究小组,也探测到了3个疑似暗物质粒子,其质量也在这个范围内。
LUX就是为了解决这个分歧而开设的。这个探测器更加庞大,比其他的探测器更加灵敏,因为其中包含了更多的氙原子,这样就提高了反应发生的几率。不过自然环境中有宇宙射线、各种带电粒子和电磁辐射等等,这可能会被错误地认为是暗物质撞到探测器内。为此,LUX探测器被放在美国南达科他州一座废弃金矿内,距离地表大约1400米。这足可以阻挡任何宇宙射线、带电粒子和电磁辐射等的影响。而且液体氙的周围还有纯水包裹着,纯水可以再次抵挡地下的背景辐射,这样又提供了一层保护。而构建探测器的材料本身也基本不产生辐射,例如钛和特氟隆(一种氟聚合物系列产品)。而且,为了再次排除任何干扰,实验只取用探测器中间部分的氙原子。并且LUX的探测器与以前的一个探测器相比,在探测重的粒子方面敏感2倍,在探测轻的粒子方面敏感20倍。由于测试轻的粒子更加敏感,如果暗物质粒子是轻的,那么按照科学家的预计,会观测到数以千计的反应发生。
为此LUX小组在物理学界被寄予很高的期望值。但遗憾的是,LUX探测器并没有探测到任何结果,这也很可能说明暗物质粒子并不是轻的。
但是一些科学家认为LUX小组的结果并没有完全否定暗物质粒子是轻粒子,因为他们认为LUX的液体氙探测器对轻粒子并不是那么敏感。氙原子质量大约是质子的131倍,更适合去探测重的粒子而不是轻的。但探测器也没有探测到重粒子,这也使一些科学家失望,因为这说明暗物质并不能用超对称理论解释。
“守株待兔”
不如自己制造
大部分科学家认为暗物质是由“大质量弱相互作用粒子”构成的。这种粒子与普通物质的作用非常微弱。打个比方,大家知道铅是日常生活中常用的防辐射材料,假如你建造一堵厚度为200光年由铅制成的墙壁,一个暗物质粒子从一端进入,另一端出来,能发生一次反应的概率仅仅只有50%。所以暗物质粒子是很难去探测到的,即使像LUX这样高性能的探测器也一样。
LUX探测器的探测没有结果,这让科学家不得不另辟蹊径,考虑寻找别的办法。
LUX探测器使用的是“守株待兔”的办法。探测器核心部件是一个重300千克的液态氙容器,以此作为“搜捕”暗物质的工具。当一个暗物质粒子从氙原子旁飞速穿过时,它可能会撞掉一个电子,这样LUX探测器就会探测到一个正电荷的增加。或者,一个暗物质粒子也可能会直接撞到氙原子,使其中的一个电子跑到高能量的轨道上,当这个电子再次回到稳定轨道时,将会激发出一个光子,产生一个微弱的亮点,这将会被LUX的光电倍增管探测器探测到。这就是坐等客上门的方法。其他的探测器,例如位于美国明尼苏达州和位于意大利的几个探测器,都和LUX探测器是一样的机理。
与其被动地苦等暗物质撞到探测器上,为何不换一种思路,去主动地制造出暗物质呢?
最近,位于麻省理工大学的科学家们正在组装一台实验仪器,去制造出一些暗物质。他们所制造的是有质量的光子,一种暗物质的候选者。
有质量的光子?这看起来似乎很矛盾,因为光子被认为是没有静止质量的,光子可以以光速运动。如果光子有了静止质量,那么它只能以低光速运动,而且可能会衰变。不过我们不知道这种粒子其他的具体性质,但是它的存在可以通过引力作用到普通物质上。而这个实验被命名为“暗光”实验,科学家可能会制造出质量在0.01到10倍质子质量的光子。
为了制造出这个粒子,粒子加速器需要产生具有百万瓦特的电子束,这种能量相当于上千台家用电磁炉的能量,而且加速器要把这种高能电子集中到直径仅百万分之一米的范围内,然后让这个电子束去轰击氧物质靶。科学家要为这个实验进行大约2年的前期测试工作,之后还需要做大约2年的收集数据的工作,寻找百万次电子碰撞中的微小的反常数据。尽管是个很小的影响,但是一旦发现产生了有质量的光子,就会产生巨大的影响,将会颠覆我们对整个物理学的认识。
各种实验都在进行。时至今日,科学家们仍然不知道暗物质究竟是什么,具有什么样的性质。也许我们这些假设都是错的,因为宇宙比我们想象的更加复杂。今后可能还会有更多其他的实验仪器兴建起来。科学家们仍然保持乐观,希望在10年之内能对暗物质本来面目有个清晰的解释。
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