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暗物质在哪里 可能就在你身边

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发表于 2015-12-17 01:09:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

2014年8月4日夜,月亮已经落下,天空一片黑暗。约翰内斯·埃泽尔和马特·罗登凯尔正坐在一架直升机上,位于加拿大安大略省上空3000米的地方。罗登凯尔通过耳机向飞行员发出指示,他希望直升机能在携带他们实验装置的气球下方绕圈飞行。麻烦的是,这个气球正飘浮在地球大气层的边缘处,距离地面近35千米。

在罗登凯尔指示飞行员的同时,埃泽尔沿着水平方向向外发射肉眼看不见的紫外线激光。这两位物理学家希望气球中的检测器能探测到被空气中的氮分子和气溶胶散射出的激光。这一切都是在全黑的条件下进行的。直升机和气球上都没有灯:埃泽尔和罗登凯尔担心光子会干扰探测器。

这个特技飞行听上去就像是007电影的情节,但它的目的却是测试一台有朝一日可能会被部署到国际空间站的仪器。之前还没有人做过类似的事。“我当时很紧张,不知道它是否能正常工作。”美国科罗拉多矿业学院的博士生埃泽尔说。


暗物质在哪里


实验的结果是仪器工作正常。“这是一个巨大的成功,”埃泽尔说,“意味着我们现在已越来越接近来自宇宙诞生之初的粒子。”

1998年,来自美国芝加哥大学、密歇根大学和欧洲核子研究中心的三位科学家发表了一篇论文,标题是《巨型弱相互作用大质量粒子》。这篇论文提出,空间中可能充满了具有超大质量的粒子,它们的质量是质子的至少1万亿倍。提出这一粒子是为了解释暗物质。暗物质是宇宙中不可见的神秘成分,天文学家相信,它们占据了宇宙物质组成的绝大部分。

对星系运动和星系团中星系的观测给出了暗物质存在的最有力证据。如果宇宙中仅存在普通物质,那么星系和星系团在很久以前就会分崩离析——它们没有足够的质量,因此也就没有足够的引力来维系自己。于是,必定存在大量的暗物质。我们的最佳估计表明,暗物质占据了宇宙物质组成的85%至90%。但是,它们主要通过引力——最微弱的基本作用力——发生相互作用,使得它们难以被探测到。



理论和观测告诉我们这些物质会是什么样子。受青睐的一类候选粒子被称为弱相互作用大质量粒子。理论上我们有理由相信它们的存在,例如,在宇宙早期产生这些粒子的假设能够被我们对宇宙的观测证实,其作用与天文观测的结果相符。这正是它们至今仍是暗物质搜寻的重心的原因。不过,虽然已经有了这些诱人的暗示,但始终还是没有确切证据。

例如,由暗物质大碘化钠容量罕见过程搜寻(DAMA/LIBRA)实验获得的结果。在意大利格兰萨索国家实验室,这个实验已经运行了近20年。它使用一组碘化钠晶体阵作为标靶,当有弱相互作用大质量粒子撞击它时,就会发出一道微弱的光线。每年6月,它的信号都会出现一个奇怪的峰值。如果地球在绕太阳运动的过程中定期穿过一片弱相互作用大质量粒子的海洋,就会看到这种现象。这个信号的强度远高于探测器的噪音水平,让一些物理学家兴奋不已。更重要的是,另一个被称为相干锗中微子技术(CoGENT)的实验也观测到了类似的年度变化,不过后者的结果在统计上并不显著。



但问题是,如果这些信号确实是由暗物质引起的,那么其他众多的暗物质探测器也应该能看到它。“老实说,我不知道DAMA看到的是什么,”美国费米实验室的丹·胡珀说,“他们的信号存在明显的周年变化,但我敢确信这不是暗物质。”

更重要的是,如果弱相互作用大质量粒子就是暗物质的话,那么欧洲核子研究中心的大型强子对撞机至少应该在粒子的碰撞中找到一些线索。然而,现在什么都没有。

我们会不会找错了粒子?“大自然有自己的想法,也许暗物质并不是弱相互作用大质量粒子,”美国芝加哥大学的安吉拉·奥林托说,“没有证据说那一定是弱相互作用大质量粒子。”

这激起了对暗物质其他解释的探求。“现在是时候探索其他方案了。”韩国成均馆大学的暗物质猎人卡斯滕·罗特说。巨型弱相互作用大质量粒子和其他类型的超重暗物质粒子是强有力的竞争者。然而,它们也面临一个沉重的问题:创造这些粒子需要大量的能量——远超创造弱相互作用大质量粒子所需的。事实上,只有在大爆炸之后瞬间温度和密度都极高的暴胀时期才能提供其所需能量。



直到最近,我们仍无法确定暴胀时期是否具有足够的能量。然而,通过综合两台研究宇宙微波背景——大爆炸遗留下的辐射——的望远镜的数据,科学家可以对它的能标给出一个上限。南极的BICEP2射电望远镜和欧空局的普朗克卫星的探测结果表明,暴胀时期具有高达1亿亿亿电子伏特的能量,足以创造出超重暗物质粒子。

在暴胀期间,得益于假想中的粒子——暴胀子,宇宙会经历指数式的膨胀。产生超重暗物质粒子的一种可能便是由暴胀子衰变而成。从理论上讲,一个暴胀子可能会衰变成超重暗物质粒子或其他粒子。

另一种产生机制则类似于在目前的宇宙中发生的事件。今天,真空中充满变化的电磁场。根据爱因斯坦的质能方程,质量和能量是等价的,这些电磁场可以自发地创生出粒子,例如电子和它自身的反物质——正电子。在暴胀时期,剧烈波动的引力场可能也会创造出粒子。由于涉及的能量极为巨大,这些粒子的质量也会非常大。

今天的电磁场产生的电子和正电子会和对方发生湮灭,以能量的形式消失得无影无踪。但是,超重暗物质粒子不会湮灭。只要这些剧烈变化的引力场仍然存在,空间中就不断地产生这些粒子。随着时空的膨胀,这些粒子会成为物质的一部分,扩散到宇宙的各个角落,不过我们依然探测不到它们。那么,怎样才能找到它们呢?



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在诞生后的瞬间宇宙发生了急剧膨胀,被称为暴胀。

要想找到答案必须克服重重困难。考虑到宇宙中这些暗物质的量,相比于弱相互作用大质量粒子,这些巨型弱相互作用大质量粒子要少得多。“做一个简单的计算。当它们的质量很大的时候,就不会非常多。”胡珀说,“如果我想要1000克的石头,只会有一块。但是,如果我想要1000克的回形针,就会有很多很多。”更重要的是,我们没有办法让一个巨型弱相互作用大质量粒子或其他超重暗物质粒子直接与地球上的检测器发生作用:它们会径直通过普通物质。因此,我们必须依靠间接检测,搜寻它们衰变的产物,例如光子、质子和中微子。这里假设了这些粒子最终会衰变。“如果它们根本不会衰变的话,我们就会处于困境:它们就在那里,却难以发现它们。”奥林托说。




如果它们确实会衰变,我们应当能够探测到有关的产物。超重暗物质粒子的大质量意味着它的衰变产物会具有极高的能量。这是个好消息,因为我们知道如何追踪这些超高速的粒子。事实上,位于南极的冰立方中微子天文台已经开始这方面的工作,并发现了一些有意思的线索。

在过去的几年中,冰立方已观测到了137个能量达到几十万亿电子伏特的中微子以及3个能量高达几千万亿电子伏特的中微子。这3个能量最高的中微子很有趣,因为它们有可能是超重暗物质粒子的衰变产物。



还没有人知道这些中微子来自哪里。我们知道,超新星爆发、伽马射线暴和活跃星系核都会产生中微子。然而,粒子物理学的标准模型认为,这些源产生的中微子能量越高,其数目就会越少。物理学家尚不知道有什么天体物理源能产生能量达万亿电子伏特甚至千万亿电子伏特的中微子。这些能量最高的中微子似乎都来自别的东西。这可能是统计上的波动,但也可能不是。“它们兴许出自暗物质粒子的衰变。”罗特说。

如果这些能量最高的中微子的确是超重暗物质粒子衰变的产物,那会是幸运的事情。罗特的研究小组计算发现,超重暗物质粒子有着长得令人难以置信的平均寿命,比宇宙的年龄还大。其中一些的寿命会比这还长得多,但另一些则随时都有可能发生衰变。“这无疑是一个有趣的想法,我们应该时刻留意。”他说。

冰立方未来的观测会有助于确认这个理论。如果这些高能中微子以及它们与低能中微子之间的能量间距仍然存在,将会增强其特殊起源的可能性,如超重暗物质粒子。

除此之外,还有另一种探测超重暗物质粒子的方式。当这些粒子发生衰变时,还可能释放出超高能宇宙射线。通过合适的探测器,我们就可以探测到这些副产物。

从理论上讲,有几个探测器可以完成这个任务:位于阿根廷草原上占地3000平方千米的皮埃尔·奥热天文台,以及美国犹他州沙漠中占地约800平方千米的望远镜阵列。到目前为止,还没有看到任何超高能宇宙射线。不过,这也可能是由于这些探测器还不够大造成的。



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位于南极的冰立方中微子天文台:冰上部分为实拍图像,冰下部分为虚拟示意图。

当超高能宇宙射线粒子轰击地球大气层的时候,会产生粒子簇射。粒子簇射貌似很容易探测,但其实是非常罕见的事件。平均来说,每个世纪每平方千米上出现的这类粒子还不足一个。因此,地面上的探测器还不足以用来观测地球大气层的簇射。根据奥林托的计算,更好的办法是将探测器送入太空鸟瞰地球,这样的话,它能观测的区域是目前最大的地面宇宙射线探测器皮埃尔·奥热天文台能观测到的50倍至250倍。


而这也正是埃泽尔及罗登凯尔冒险飞行的目的。在太空边缘的这个气球是国际空间站上的实验模块——极端宇宙空间天文台(JEM-EUSO)的测试台。奥林托是这个项目的首席科学家,正在和她的团队一起测试其原型机。


2014年8月的飞行是为了确定气球上的探测器是否能看到空气分子散射出的紫外线激光。JEM-EUSO上的探测器最终将寻找超高能宇宙射线轰击地球上层大气所产生的类似辐射。现如今,最初的实验已经成功,下一步是在美国航空航天局可滞空数周的气球上实验另一个原型机。“我们正在建造一个有效载荷,可以连续工作100天。”奥林托说。他们的试飞计划于2017年3月进行。

到目前为止,还没有人叫停对弱相互作用大质量粒子的搜寻。但是,如果JEM-EUSO、冰立方或未来的中微子望远镜看到了能量无法用标准天体物理学解释的粒子,那么超重暗物质粒子——无论是巨型弱相互作用大质量粒子还是其他的粒子——就会变得更加引人注目。也许,早期宇宙遗留下来的粒子恰恰就是宇宙的化石,为神秘的暴胀时期到底发生了什么提供更多的线索。



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当超高能宇宙射线粒子轰击地球大气层的时候,会产生粒子簇射。

暗物质的有关数字



为了搜寻暗物质湮灭的证据,在南极的冰面之下2500米处,冰立方中微子天文台安装了86根悬吊着探测器的缆绳。

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如果存在,每秒会有数十亿个暗物质粒子穿过你的身体。在1年中,大约只有10万个暗物质粒子会和你身体内的原子发生相互作用。

为了屏蔽来自地表的辐射,大型地下氙探测器需要使用264979升的水作为防护。

宇宙的组成包括68%的暗能量、27%的暗物质和仅5%的普通物质。

升级后的大型强子对撞机将以破纪录的13万亿电子伏特的能量来对撞粒子,寻找暗物质的线索。

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