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宇宙暗物质是什么 纷乱复杂的暗物质探测

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发表于 2016-11-10 22:08:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
  宇宙暗物质是什么 纷乱复杂的暗物质探测?探测暗物质的竞赛带来更多的是乱象。但正在建造的更大、更灵敏的探测器不久就会改变这一局面。对于一种完全不可见的东西,暗物质却极为出色地让其他事物感觉到了它们的存在。从20世纪30年代起,天文学家们便已开始收集它们的证据,追踪它们是如何通过其势不可挡的引力来控制星系、星系团乃至更大的宇宙结构的。虽然它真正的属性仍然未知,但是暗物质的总量似乎超出了恒星和星系中可见的普通物质大约5.5倍。


  然而,在地球上,正在努力回答“它是什么”这个问题的物理学家们却常常感觉他们正在追逐一个幽灵。确实,他们的探测器已经给出了许多奇怪且相互矛盾的结果。两个实验独立地在它们的仪器中看到似乎是暗物质流的东西。另一个探测器在2010年可能看到了几个暗物质粒子——但却被实验者当成了背景噪音。而另一个实验则根本没有发现暗物质的证据。


 

宇宙暗物质是什么 纷乱复杂的暗物质探测

宇宙暗物质是什么 纷乱复杂的暗物质探测

 [图片说明]:X射线(粉色)揭示出星系团中的普通物质,背景星系的引力透镜(蓝色)则反映出暗物质。
  Adam Mann 文 Shea 编译


  幸运的是,这一乱象可能是暂时的。暗物质探测器对极罕见事件的灵敏度比20年前高出了约1,000倍。随着物理学家建造更大的探测器并且能更有效地压制可能被错当成真实信号的背景噪音(见“暗物质探测器”),在未来十年探测灵敏度还会再升高100倍。“如果一年后有人站出来说我们已经做到了,也不会有什么令人吃惊的,”美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说。其他物理学家则更谨慎地预计还要5到10年。尽管如此,可以感觉出来这个领域是山雨欲来风满楼。

  绝大多数探测暗物质的尝试都直接始于一个假设,那就是它们是从大爆炸起便遗留下来的弱相互作用大质量粒子(WIMP)。这里的“大质量”解释了引力,而“弱相互作用”则解释了不可见性:WIMP可以不计其数地穿过恒星、行星和人体,却几乎不会撞上任何东西。

  在这些基本的东西之外,搭建这样一个实验则需要一定的猜测。例如,为了获得显著的反冲效应,科学家需要一个和他们所寻找的暗物质粒子质量相当的标靶核子。美国加州大学欧文分校的粒子物理学家冯孝仁(Jonathan Feng)说,这就像寻找一个看不见的台球。如果标靶核子相当于一个保龄球,那么它们之间的撞击几乎不会令它移动。另一方面,如果标靶相当于一个乒乓球,它又几乎无法使得暗物质粒子偏转,因为只有很小的能量会被转移。所以,冯孝仁说,你需要的是另一个台球。

  超对称WIMP

  有几个暗物质实验则把宝押在了超对称身上。在超对称理论中,物理学标准模型里的每一种粒子都有一个较重且迄今尚未被观测到的伙伴粒子。超对称预言存在一种被称为中性微子(neutralino)的WIMP,它具有可以解释宇宙中所见暗物质分布的完全特性。它的相互作用极其微弱,而它的质量又非常大——达质子的50至几千倍。
  最受关注的中性微子探测实验之一是位于意大利巨石峰国家实验室地下、由美国和欧洲大学联合进行的氙暗物质搜寻实验(XENON)。顾名思义,这个实验的探测介质是一箱液态氙。氙的原子量超过了131,接近探测超对称中最容易搜寻的低质量端WIMP的理想值。

  装在XENON箱子内部的光电倍增管会探测氙由于被WIMP撞击发生反冲而产生的闪光(被称为闪烁)。2006年建成的第一个XENON探测器使用了大约15千克的氙,没有发现任何不能以背景辐射来解释的现象。这一合作团队随后在2009年将其升级为更大、更灵敏包含有161千克氙的XENON100。

  虽然该探测器最初11天的运转仍然没有发现任何粒子,但这一结果本身确实极为重要的:领导瑞士苏黎世大学XENON小组的物理学家劳拉·鲍迪斯(Laura Baudis)说,质量小于100千兆电子伏(GeV)的WIMP应该显现出来。由于它们没有出现,因此这些质量较小的就被排除掉了。不幸的是,随后运转100天的结果仍不清晰:研究人员正努力来对付由氙中的痕量杂质所产生的意料之外的高强度背景辐射。

  纯粹而简单


  另一个搜寻相似质量范围的实验是位于美国明尼苏达州北部废弃苏丹铁矿中的低温暗物质搜寻(CDMS)。该实验团队使用锗和硅晶体作为探测介质,它们是唯一具有足够高纯度可以用来探测暗物质的固体元素。当这个探测器运转时,这些晶体——直径大约10厘米——会被冷却到只有40毫开尔文的低温,因此任何由WIMP撞击所产生的热量都会被探测到。

 目前正在运转的是这个实验的第二代,被称为CDMSII。该实验团队在2010年初报告了一个令人兴奋的消息,探测到了两个可以被解释成暗物质的信号。尽管引发了一阵骚动,但他们却保持缄默。“我们并没有声称这是重要的发现;在这一低阈值上我们看到了许多事件,而其中绝大部分可能是背景,”CMDS团队成员、美国加州理工学院的杰弗里·菲利皮尼(Jeffrey Filippini)说。如果这两个事件不作数,那么CDMS团队和XENON团队得到了差不多一样的结果:有效地排除了低质量WIMP存在的零发现。

 然而,XENON和CDMS的结果却和其他的实验相矛盾,这些实验声称探测到了被前两者排除了的极低质量WIMP。其中也许最饶有兴趣和饱受争议的是暗物质大碘化钠容量罕见过程搜寻(DAMA/LIBRA)实验,它和XENON共用了巨石峰国家实验室的场地。DAMA的工作原理是,太阳绕银河系中心的轨道会令太阳系以大约每秒220千米的速度穿过不可见的宇宙暗物质背景。因此地球上的探测器会看到以这个速度飞过它们的暗物质,再外加一个由于地球绕太阳转动而产生的每秒30千米的周年变化。

  寻找碘化钠晶体中反冲事件闪烁的DAMA团队宣布13年来他们一直追踪着这么一个周期性的信号。然而,这些晶体无法区分WIMP和探测器周围环境中来自普通辐射的背景事件,因此这一结果依赖于一个假设,那就是背景事件的发生率固定且不随季节变化。如果这一结果成立,它就公然与XENON和CDMS的发现相左了。
  “如果主要信号真如他们声称的那么大,那么我们和其他团队应该已经看到它了,”德国马普物理学研究所的莱奥·施托多尔斯基(Leo Stodolsky)说,他参与了同在巨石峰的超导量热计低温罕见事件搜寻(CRESST)实验。许多非DAMA的物理学家都对此表示怀疑,施托多尔斯基说,许多的季节性过程都会释放出能伪装成DAMA暗物质结果的亚原子粒子,包括实验室山顶上雪的融化和重新冻结这么简单的现象。

  进一步撼动DAMA结果的是没有其他的暗物质实验是搜寻周期信号的,因此它的结果无法被直接重复。然而,虽然有质疑,但DAMA的信号每年都在变得更强。“DAMA已经非常有胆量,”美国芝加哥大学的物理学家胡安·科勒(Juan Collar)说,“他们走出去,宣布结果。”而绝大多数其他的物理学家仍倾向于把他们的结果归结于背景噪音。
  科勒领导了一个被称为相干锗中微子技术(CoGeNT)的实验,它的探测器就位于苏丹铁矿中CDMSII的附近。CoGeNT使用调制过的锗晶体来探测比它周围的其他探测器所寻找的质量小得多的入射粒子。它最初是想探测这一质量范围来排除低质量WIMP的存在,但它的结果却最终使得事情变得更扑朔迷离。

  在CDMSII报告“几乎没有”发现时,CoGeNT发布了它最初56天运转的数据。结果显示,在7到11GeV的质量间有数百个粒子事件可以被解释成暗物质。
  这可能是DAMA探测到的同一粒子,但物理学家很快就提出了另一个更为严肃的解释。“对CoGeNT来说,信号和背景很容易会被错当成同一件事,”美国约翰·霍普金斯大学的物理学家戴维·卡普兰(David Kaplan)说。该小组决定在初次发表结果之后再等待一年,来看看它的结果是否会出现类似DAMA的季节性涨落,之后再公布新的结果。


暗物质完全湮灭



  与此同时,关于探测暗物质的另一条途径又爆发了一场争论。暗物质粒子许多古怪特性之一便是它们是自己的反粒子:在一个地方放置足量的反物质,它们就会开始彼此湮灭,在此过程中会产生γ射线。美国费米国家加速器实验室的天文学家丹·胡珀(Dan Hooper)说,特别地,银河系中心会产生过量的γ射线辐射,因为暗物质预计会在那里聚集。胡珀声称在美国宇航局费米γ射线空间望远镜的数据中发现了这些γ射线超的证据。

  “如果你想问在银心暗物质里你会看到什么类型的信号,那么这就是你想要的,”美国纽约大学的理论物理学家尼尔·韦纳(Neal Weiner)说。这一结果与7.3到9.3GeV的暗物质粒子相一致,这也与CoGeNT和DAMA的发现相符。

  其他科学家则仍表示怀疑。“银河系中心极为复杂,在你相信你看到了暗物质湮灭之前,你必须要排除其他所有的可能,”美国哈佛史密松天体物理学中心的天文学家道格·芬克贝纳(Doug Finkbeiner)说。他指出信号也可能来自尚未被发现的脉冲星——会产生大量高能辐射的高速自转中子星。
  然而,胡珀的结果却给予了研究人员想象的空间。“这里有太多的巧合,”科勒说。当三个实验的发现都开始指向质量相近的暗物质粒子时,他说:“你就会开始自问,它们是否不再是巧合?”

  这些方法已经让诸如冯孝仁这样的理论家重新审视了所有的结果,来寻找它们是否可能是出自一个有关暗物质可能是什么的一致想法。冯孝仁说,如果CoGeNT和DAMA是对的,那么它们并没有探测到预期的暗物质粒子,即中性微子,因为它不会如此轻并且如结果所示具有如此强的相互作用。因此暗物质也许是一些极为不同的粒子——或者也许单一WIMP的模型并非是正确的。


  “如果你只关注我们四周百分之几的宇宙,那它是十分复杂的,”谈及包含了诸如μ介子、中微子和夸克这些奇怪东西的标准模型所预言的“粒子动物园”时加拿大圆周理论物理研究所的物理学家菲利普·舒斯特(Philip Schuster)如是说。他说:“相信宇宙成分中剩下的85%也这样简单是有一点疯狂的。”

  和他的合作者一起,舒斯特正在寻找一个更为复杂的暗物质理论的证据,它被称为“暗成分”。它包含了多种类型的暗物质以及许多和普通物质相似可以形成暗原子的暗力。在美国托马斯·杰弗逊国家加速器实验室可以加速高能电子束并且搜寻由它们辐射出的相对较重的载力粒子,而它的A级实验(APEX)正在检验这个理论。“它也许能告诉我们,宇宙比我们怀疑的还要广博得多,”和舒斯特一起进行APEX的圆周研究所物理学家纳塔利娅·托罗(Natalia Toro)说。

  好消息是XENON100和CoGeNT团队有望在今年公布他们第一年的运转数据。诸如大型地下氙(LUX)和氙中微子质量(XMASS)这样更大、更灵敏的探测器正计划在不久的将来开始投入使用。“虽然我们现在正处于‘公说公有理,婆说婆有理’的状态,但它不会一直持续下去,”韦纳说,“几年内我们将会有足够的信息来平息这一切。”

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