2019年，暗物質(zhì)搜索不停步

原標(biāo)題：2019年，暗物質(zhì)搜索不停步

LSST效果圖圖片來源：LSST官網(wǎng)

宇宙中藏著某種神秘的東西，它看不見摸不著，我們僅能通過它施加給宇宙萬物的引力，得知它的存在，這就是所謂的“暗物質(zhì)”。暗物質(zhì)對于解釋恒星在星系中的運(yùn)動以及人類觀測到的其他宇宙現(xiàn)象必不可少，或許是很多宇宙事件的“幕后黑手”。

從上世紀(jì)80年代起，物理學(xué)家建造了一系列高精尖探測器，來尋找暗物質(zhì)，但到目前為止，即使在最尖端復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)中，暗物質(zhì)也沒有顯露過哪怕一絲真容。

2019年，在暗物質(zhì)玩的這場“躲貓貓”游戲中，科學(xué)家們將進(jìn)入博弈的新階段。從藏身地下的巨大探測器到高高在上傲視全天的大型望遠(yuǎn)鏡，今年將進(jìn)行的四大暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)或許會給我們帶來驚喜。

LIGO升級幫助尋找暗物質(zhì)

2015年，“激光干涉儀引力波天文臺”（LIGO）首次直接觀測到引力波，讓世界為之震驚和沸騰。在對設(shè)備進(jìn)行一系列升級后，它將于今年早些時候開始第三輪觀測。屆時，它收集的數(shù)據(jù)將比以往任何時候都多。有科學(xué)家稱，使用引力波數(shù)據(jù)有望揭示暗物質(zhì)的“蛛絲馬跡”。

2018年，有研究人員提出，如果宇宙某處潛伏著一個質(zhì)量很小的“暗光子”，它的信號可能會在LIGO數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，導(dǎo)致引力波特征出現(xiàn)非常特殊的不規(guī)則性。

暗光子是人類假想的普通光粒子的雙胞胎粒子，如果它們存在，將是解釋暗物質(zhì)的一種方式。

研究人員希望，地面和未來的基于太空的引力波探測器能夠做出重大發(fā)現(xiàn)，使暗物質(zhì)研究塵埃落定。

隨著LIGO“王者歸來”，科學(xué)家很有可能在引力波數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

弄清惰性中微子“真實(shí)身份”

惰性中微子也被認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選粒子。在新的一年里，物理學(xué)家試圖厘清兩者的關(guān)系。

早在上世紀(jì)90年代，在美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的液體閃爍中微子探測器（LSND）實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“惰性中微子”的神秘新粒子的證據(jù)。然而在接下來的20多年中，這一結(jié)果一直無法重復(fù)，其他實(shí)驗(yàn)沒有找到任何關(guān)于該粒子的跡象。

2018年，事情突然出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)：美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的“助推器中微子實(shí)驗(yàn)”（MiniBooNE）再次探測到了該信號，表明除了電子中微子、μ中微子和τ中微子外，第四種中微子——惰性中微子可能真的存在。

中微子可以幾乎不受阻礙地穿過其他物質(zhì)，就如同其他物質(zhì)不存在一樣，因而被稱為“幽靈粒子”。但常見的三種中微子質(zhì)量太小，不可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的成分。而惰性中微子是一種質(zhì)量更大、與普通物質(zhì)間的相互作用也更弱的中微子。

有科學(xué)家認(rèn)為，如果惰性中微子的質(zhì)量足夠大，就可能是尋找已久的暗物質(zhì)。他們希望能在2019年弄清楚惰性中微子的“真實(shí)身份”。

大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡“開眼”

“大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡”（LSST）是科學(xué)家們正在智利建造的一臺望遠(yuǎn)鏡，每隔15秒，它就可以拍攝到大片天空的詳細(xì)圖像；每3天就能完成一次全天空掃描。

眾所周知，暗物質(zhì)塑造了星系及其恒星相互運(yùn)動和相互作用的方式。LSST的目標(biāo)是提供有關(guān)宇宙如何運(yùn)作的前所未有的細(xì)節(jié)，這應(yīng)該能為天體物理學(xué)家提供大量有關(guān)暗物質(zhì)性質(zhì)及其在宇宙中所起作用的數(shù)據(jù)。

2019年，研究人員將首次打開該望遠(yuǎn)鏡重達(dá)2800千克的“眼睛”，讓其對整個天空投去深情的一瞥。LSST有望在2022年進(jìn)入完全運(yùn)行狀態(tài)，并在智利北部的帕切翁山展開為期10年的全天巡視。在10年時間里，它將對獲得的圖像進(jìn)行比較，以追蹤天空的變化規(guī)律，為理解暗物質(zhì)如何“攪動”宇宙提供最深入的數(shù)據(jù)資源。

捕捉氙氣與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的微光

一直以來，粒子物理學(xué)家推測，暗物質(zhì)的第一個直接標(biāo)志可能是一道閃光：由于暗物質(zhì)在非常暗的房間內(nèi)與惰性物質(zhì)發(fā)生碰撞，這些物質(zhì)會發(fā)出微弱的光斑。幾十年來，科學(xué)家根據(jù)這一原理建造了探測器，但迄今為止，沒有一個探測器產(chǎn)生確定的結(jié)果。

因此，有不少科研團(tuán)隊(duì)決定另辟蹊徑——有的對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級，還有的則是建新的探測器來尋找暗物質(zhì)。

2019年，中國科學(xué)家將在“粒子和天體物理氙探測器”（PandaX）平臺上努力工作，該平臺晝夜不停地盯著氙氣尋找閃光——如果氙原子同暗物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的微光將會被探測器捕捉到。科學(xué)家正加速升級該探測器，希望在2019年—2020年完成大部分工作。升級后的探測器將稱為“PandaX-xt”，可容納4噸氙氣。

美國的暗物質(zhì)研究人員也不甘示弱。位于美國南達(dá)科他州一座廢棄金礦地下約一英里處的“大型地下氙實(shí)驗(yàn)（LUX）”也將全面升級，更名為“LUX-Zeplin”，容納10噸液態(tài)氙。與“PandaX-xt”一樣，該項(xiàng)目可能要到2020年之后才完工。

意大利也計(jì)劃將其探測器“XENON”升級至8噸液態(tài)氙規(guī)模，名為“XENON-nt”，升級可能在2019年完成。

上述四種搜尋方法，會讓科學(xué)家在2019年獲得暗物質(zhì)的確切證據(jù)嗎？我們并不確定。或許暗物質(zhì)真的存在，不過是以截然不同于我們預(yù)期的方式存在。

不管怎樣，人類對宇宙的探索永無止境，許多未解之謎等待解開。比起找到暗物質(zhì)，更大的探索還在后面，但暗物質(zhì)像一把鑰匙，能夠打開物理學(xué)更深層次理論的大門。（劉 霞）