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中国科研团队有望率先找到暗物质粒子
来源:澎湃新闻 | 作者:东方能人 | 发布时间: 2015-09-24 | 1466 次浏览 | 分享到:
新华网成都9月23日消息,全世界最深的暗物质探测实验室、中国锦屏地?#29575;?#39564;室二期扩建进展顺利……

中国“天眼”、世界最大单口径球面射电望远镜反射面单元面板开始拼装……世界上迄今为止观测能段?#27573;?#26368;宽、能量分辨率最优的“暗物质粒子探测卫星”将于年底在酒泉择机发射……

近期,一批来自中国的科研计划不断聚焦“宇宙幽灵”——暗物质。在寻找暗物质的道路上,中国身影越来越多。

“暗物质”被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云?#20445;?#26159;目前国际科研的最前沿领域之一。迄今的研究和分析表明,暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。暗物质涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题。

“与百年之前相?#26376;?#21644;量子力学即将诞生时类似,现在人类对物质世界的认?#38431;?#19968;次处在了十字路口。毫不夸张说,找到并研究暗物质,将是继哥白尼?#25307;?#35828;、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相?#26376;?#20197;及量子力学之后,人们认?#38431;?#23449;的又一次重大飞跃。”清华大学工程物理系副教授岳骞说。

除了“上天?#20445;?#22269;际上暗物质探测更多的是“入地?#20445;?#21363;在地下的极深实验室中进行探测,这样便可减少地球上无处不在的宇宙线干扰。

本世纪以来,国际上相继开展了20多个暗物质探测实验,利用各种技术来寻找暗物质。特别是近几年来,竞争更为激烈。来自意大利、美国、德国的实验组先后宣称发现了疑似轻质量暗物质的信?#29275;?#36825;些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣。

以往中国科学家要想进行暗物质研究,只能借用国外的地?#29575;?#39564;室。中国锦屏地?#29575;?#39564;室顶部覆盖2.4公里的岩石,为目前全球最深的暗物质探测实验室。2010年启用后,有两个实验组进驻,分别是清华大学主导的CDEX实验和上海交通大学主导的PandaX实验。

图为CDEX实验最新暗物质实验排除线结果(红线),暗物质不可能在这条排除线上方的区域存在,利用相同探测技术,?#33539;?#24615;地排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的暗物质存在区域(紫色椭圆区域)。CDEX发表的这个暗物质实验结果是目?#26263;?#30005;极高?#31354;?#26263;物质实验方面世界上最灵敏的暗物质实验结果。

图为参加项目研究的清华学生在安?#26263;?#35797;高?#31354;?#25506;测器。

清华大学常务副校长、中国锦屏地?#29575;?#39564;室主任?#25506;?#24179;教授表示,从过去几十年国际地?#29575;?#39564;室的发展进程可以看出,地?#29575;?#39564;室,特别是极深地?#29575;?#39564;室的建设和发展可以为一个国家提供综合性的重大基础科学研?#31185;教ǎ?#26159;一个国家关键性的重大基础科学研究设施。

过去五年里,中国在暗物质方面的研究进展迅速。2014年,CDEX实验组得到了目?#26263;?#30005;极高?#31354;?#25506;测器在国际上最灵敏的实验结果,进一步缩小了暗物质可能存在的区域。PandaX实验组也于同年公布了一期实验获得的首批数据,对以往国际上所有发现的疑似轻质量暗物质信号提出了质疑。

谈到这两个实验组的结果,来自美国珀杜大学的物理学家拉斐尔·朗认为两个实验组最近发表的成果,真正使得中国暗物质搜寻努力?#30333;?#21040;了国际社会的最前沿”。

目前,锦屏地?#29575;?#39564;室正进行二期扩建,届时实验室总容积将?#24189;殼暗?000立方米扩容到约30万立方米,可容纳更多的实验组。

PandaX实验的规模也在扩大,“半吨级”实验将是世界上同类实验的最大规模,灵敏度也比现有装置放大近20倍,并有望进入重质量暗物质信号区进行搜索。

中国“千人计划”专家、上海交通大学鸿文讲席教授季向东表示,随着实验探测灵敏度的提升,中国人有望率先找到理论预言的一类暗物质粒子,“我们已接近发现暗物质的边缘”。

各国科学家都在摩拳擦掌,等待这一兴奋时刻的到来。暗物质探?#26263;?#31454;争愈发激烈,人类认识暗物质的旅途或即将迎来最后一段征程。

延伸阅读

暗物质和人类的艰难寻找

什么是暗物质?

普通人对它的直观认识多来自科幻作品。在电影《变形金刚》中,机器人“禁闭”所驾驶的飞船就是由它驱动进行星际航行的。在刚刚斩获世界科幻文坛最高奖的小说?#24230;?#20307;》里,它是太阳系遭受高级外星文明攻击后的隐形残骸。

这些奇?#20040;?#20316;的科学依据就来自人类久寻不得的“暗物质”。

如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗天空?#20445;?#26263;物质和暗能量则被看作“两朵乌云?#20445;?#20004;者难以用现有理论解释。这不是物理学“天空”第一次出现“乌云”。

19世纪末,以牛顿经典力学为基础的经典物理学大厦被认为“已经建成?#20445;?#20165;需“修修补补”。但有两个实验结果与理论预测不相符的问题:黑体辐射和以太漂移,这“两朵乌云”漂浮于当时的物理学“天空”中。

正是这“两朵乌云?#20445;?#20652;生了物理学在20世?#32479;?#26399;的两场革命?#21512;嘍月?#21644;量子力学。

旧云方散,新“云”又来。

存在于物理学天空的“新乌云”至今仍横亘在研究的“天空”。十多年前,美国国家研究理事会将“什么是暗物质”列为21世纪与宇宙相关的重大前沿科学问题之首。

“暗物质这么被大家‘惦记’,因为它涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题。”上海交通大学物理与天文系特别研究员刘江来说。

科学?#20197;?#23581;试用力学和光度两种不同的方法测量整个宇宙的质量。令人惊讶的是,两者结果差异巨大。就好像分别用度量准确的?#39034;?#21644;电子秤称量同一个苹果,结果却出现了数量级差异。换句话说,在现有的理论框架下,如果仅有肉眼可见的物质,是无法维持宇宙运行的。如果没有暗物质,星系早已分?#35272;?#26512;,?#32435;⒈继印?/span>

中国“千人计划”专家、上海交通大学鸿文讲席教授季向东将暗物质比喻成宇宙中的“幽灵”。他说,迄今的研究和分析表明,暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。“我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。”

季向东说?#39608;?#26263;物质跟普通物质几乎不相互作用,所以探测它十分困难。”

而在刘江来看来,虽然寻找暗物质注定十分艰难,但不论找不找得到,都将颠覆人类对宇宙的认识,推动人类对物质世界的理解。因为如果找不到,便意味着人类关于引力的理解在很大程度上是有问题的,物理学和天文学理论就必须进行大的修正。

“从这个角度来说,对这片‘乌云’的认识,乃至捕捉,难道不可以幻化出21世纪物理学的‘雨后彩虹’?”他说。

交通大学PandaX(熊猫计划)是“粒子和天体物理氙探测器?#20445;≒article AND Astrophysical Xenon Detector)的英文简?#30784;?/span>

实验利用在空气中提纯的惰性元素氙(Xe)作为探测媒介来寻找暗物质,共40多位研究人员参与。

在搜寻暗物质的道路上,目前主要有3种方法:

一是利用粒子对撞产生暗物质观察其衰变的产生实验,主力设备是?#20998;?#26680;子中心的大型强子对撞机。

二是基于暗物质湮灭产生反物质的原理在太空进行的湮灭实验。

三是测量暗物质散射?#28872;?#20307;或固体的散射实验。目前中国锦屏地?#29575;?#39564;室的两个实验组均属第三类。

存在于宇宙中的暗物质,为何要到地下探测?

刘江来把暗物质比作宇宙中的“雾霾?#20445;?#22320;球则是在“雾霾”中行驶的汽车,“雾霾”中的颗粒?#19981;?#27773;车就会发出“响声?#20445;?#23454;验探测器的任务就是把这种“响声”记录下来。

探测实验的主要困难就是宇宙线以?#26263;?#29699;上无处不在的放射性,要尽最大可能排除其对实验本底的干扰。用刘江来的话说,就是“去掉‘汽车和周边环境产生的各种声音’”。

暗物质的“声音”有多小?“就好像听众坐在第一排听音?#21482;幔?#36824;要听清30米外一只蚊子的?#23435;?#22768;。”刘江来比喻说。

锦屏地?#29575;?#39564;室对“滤声?#20493;?#35328;,条件得天独厚。实验室深度为全球同类实验室中最深,上方2.4公里厚的岩石层可拦截大部分穿透力极强的宇宙射线,使其数量降至地面水平的亿分之一。同时地下岩洞构成岩石主要是大理石,不存在多少辐射材料,?#20197;?#31163;会导致错误信号的辐射源。

2010年,这座实验室投入使用,目前有两个中国科学家牵头的实验组进驻,包括上海交通大学牵头组织的PandaX实验和清华大学主导的CDEX实验。

PandaX采用液氙技术,即将氙气制冷至零下100摄氏度,当暗物质跟氙原子发生碰撞时,氙原子就会发光,同时?#19981;?#20135;生自由电子。科学家的工作就是想办法把这些微弱的光和几个自由电子探测出来,同时确认这些信号不是由其他原因引起的。而之所以选用液氙这种介质,因为与元素周期表中其他元素相比,选用它能增加与暗物质粒子相撞的机会。

为尽可能祛除干?#29275;?#38500;实验室上方的天然岩石层外,实验核心装置外还安装了由铜、聚乙烯、铅块组成的多个屏蔽层,以此将实验室中的中子、伽马射线等阻挡在探测器外。

但即使是这样层层设防,各种与暗物质无关的辐射物还会与探测器中的氙原子核发生每秒成百上千?#38395;?#25758;,这些干扰信号要靠计算机来筛选。“最?#32617;?#24471;PandaX实验装置记录的发光事件,大约每秒只有1次,每年就是3000万次左右。”季向东说。

那每年3000万次发光事件,有多少是跟暗物质真正有关?季向东坦言?#39608;?#24456;可能不到1次。”

尽管很艰难,但过去五年里,我国在暗物质暗能量研究领域依然取得了发展。

2014年,CDEX实验组得到了目前该类探测器在国际上最灵敏的实验结果,缩小了暗物质可能存在的区域。PandaX实验组于同年公布了一期实验获得的首批数据,对以往国际上所有发现的疑似轻质量暗物质信号提出了质疑。

季向东表示,随着灵敏度提升,中国人有望率先找到理论预言的暗物质粒子。“我们已接近发现暗物质的边缘,我们想要证明,世界前沿科学之首的问题,由中国人给出答?#28014;!?/span>

 

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