走进最深的暗物质探测实验室

中国教育装备采购网2015-09-24 15:21围观1075次我要分享

  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《三体》里,它是太阳系遭受高级外星文明攻击后的隐形残骸。

  这些奇幻创作的科学依据就来自人类久寻不得的“暗物质”。全球最深的暗物质探测实验室——中国锦屏地下实验室,地处四川南部地底深处,在那里,一批中国科学家正寻找目前还是理论存在的暗物质,希望觅得被科学界称为“宇宙幽灵”的蛛丝马迹。

  全国科普日到来之际,新华社记者来到锦屏地下实验室,带你了解中国的暗物质研究。

  科学家:暗物质份额远超人类可看到的物质

  如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗天空”,暗物质和暗能量则被看作“两朵乌云”,两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”,仅需“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”,催生了物理学在20世纪初期的两场革命:相对论和量子力学,两者极大改变了人类对宇宙的认识。

  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。

  据悉,科学家曾尝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杆秤和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。进一步说,如果没有暗物质,星系早已分崩离析,四散奔逃。

  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%。”

  但这个超出普通人认知的物质真的存在?或者能被探测?

  季向东说:“暗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。

走近全球最深的暗物质探测实验室

  在中国锦屏地下实验室拍摄的上海交通大学牵头组织的PandaX实验所用设备(2014年12月24日摄)。

  在黑暗的地底探寻星空的奥妙

  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,主力设备是欧洲核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至液体或固体的散射实验。目前中国锦屏地下实验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”,地球则是在“雾霾”中行驶的汽车,“雾霾”中的颗粒撞击汽车就会发出“响声”,实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及地球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乐会,还要听清30米外一只蚊子的嗡嗡声。”刘江来比喻说。

  锦屏地下实验室对“滤声”而言,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,且远离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。

走近全球最深的暗物质探测实验室

  在位于四川锦屏山隧道内的中国锦屏地下实验室门口拍摄的在这里寻找暗物质的研究人员。

  “我们已接近发现暗物质的边缘”

  雅砻江,发源于巴颜喀拉山,之后一路向南,直到碰到海拔4200米的锦屏山不得不改变流向,形成一个U形的大河弯。昔日为修建锦屏水电站,一条交通隧道连接U形大河弯的两侧,中国锦屏地下实验室便在这隧道中部,上方是巍巍锦屏山。

  乘坐急速电梯下行、穿过层层戒备、瞳孔识别门禁……和记者想象不同,实验室不像美国大片中惯常的入门桥段,从交通隧道入口乘车10分钟左右,便到达实验室入口。如果不是进入隧道前要进行安全检查,很难让人觉察到这里的特殊。

  但很快,这个世界顶级的地下实验室便开始展示出它的力量。记者随PandaX实验组进入实验室,进门后换上防尘衣物,没走几步,手机信号随即彻底消失。实验室不大,走过十多米的走廊,便可看到各种管道、仪器和扶梯环绕的实验核心装置,好似一个层层包裹、白白胖胖的大胶囊。

  据了解,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,同时也会产生自由电子。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。

  为尽可能祛除干扰,除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次碰撞,这些干扰信号要靠计算机来筛选。季向东说:“最终值得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。”

  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:“很可能不到1次。”

  尽管每前进一步都很艰难,但过去五年里,我国在暗物质暗能量研究领域依然取得了跨越式发展。

走近全球最深的暗物质探测实验室

  在中国锦屏地下实验室的清华大学主导的CDEX实验组,研究人员江灏在查看实验数据(2014年12月24日摄)。

  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,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。

  为把物理学“乌云”真变成“彩虹”,世界各国一直在“赛跑”。

  暗物质的探测实验已经在多个国家的地下实验室中开展了近20年,技术也日趋成熟。目前PandaX实验二期扩建接近完成,核心区液氙规模进一步扩大。

  季向东表示,随着灵敏度的提升,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,由中国人给出答案。”他说。

来源:新华网责任编辑:江平

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