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中科院专家称暗物质的发现比上帝粒子更重要

2013-02-23 10:39:57 来源: 东方早报(上海)
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核心提示:什么是暗物质?它的发现将有什么重要意义?与“上帝粒子”的发现相比,暗物质发现更重要吗?带着这些问题,记者采访了中科院理论物理研究所研究员李淼。

加拿大SNO地下实验室(地下2000米,2008年建成)
加拿大SNO地下实验室(地下2000米,2008年建成)

意大利GRAN SASSO 地下实验室(地下1700米,1987年建)
意大利GRAN SASSO 地下实验室(地下1700米,1987年建)

中国锦屏极深地下暗物质实验室实验厅(地下2400米,2010年投入使用)
中国锦屏极深地下暗物质实验室实验厅(地下2400米,2010年投入使用)

什么是暗物质?它的发现将有什么重要意义?与“上帝粒子”的发现相比,暗物质发现更重要吗?带着这些问题,早报记者采访了中科院理论物理研究所研究员李淼。

东方早报:暗物质与暗能量是一回事情吗?

李淼:暗物质有点像物质粒子,只是不发光而已;暗能量根本就不是粒子。暗能量这个概念相对年轻些,形成只有10年。暗物质这个概念就很老了,可以追溯到1933年,那一年天文学家Zwicky发现一个星系团中的星系速度比预期的要大,根据牛顿万有引力定律,意味着星系之间还有很多我们没有看到的物质,当时叫丢失了的物质。

东方早报:黑洞是暗物质吗?

李淼:黑洞与死掉的恒星都是存在的,但是天文学家通过观测,通过微引力透镜的手段观测到,所有死掉的恒星和黑洞,它们的质量加起来,不足以解释暗物质。因为暗物质占宇宙质量的25%(外电报道称是23%),恒星和黑洞质量加起来远远不到这个量。

东方早报:人会被一堵墙挡住,太空飞船在太空飞行时会被暗物质挡住吗?

李淼:不会。暗物质为什么会有那么大的质量呢?暗物质跟普通物质的相互作用很弱,但这并不代表没有质量。暗物质与其他物质伴生,有物质的地方就有暗物质,但分布得更广。比如说,在有恒星、星系的地方一定有暗物质,但暗物质要比这些星系占的空间大许多,所以暗物质的质量比星系质量大。

东方早报:报道中称,WIMP只是暗物质的一个候选体,什么叫候选体?

李淼:暗物质有很多种可能性,只要有质量不发光就行,最早的可能性是死掉的恒星或黑洞,但这种可能性被天文学研究所排除,粒子的可能性更大,如果是粒子的话,就有几种可能性,一种极弱相互作用,也可能是一种特别的中微子。如果极弱相互作用,正负电子对会反常,其他中微子不会有这样的效果。

东方早报:如果暗物质真的被发现,有应用价值吗?

李淼:应用价值暂时谈不上,但起码解决了一个多年的谜题。通过万有引力很难解释一些物理现象,太阳系或者银河系为何能维持现在的状态,光靠可见物质的引力是无法解释的,但在暗物质的假设模型里就可以解释。

东方早报:暗物质如果被发现,会动摇量子理论和相对论吗?

李淼:它不会动摇20世纪的量子理论和相对论,还是在这个框架内解释。

东方早报:去年科学家发现了“上帝粒子”,如果这次的发现最后被证实是暗物质,两个发现哪个更重要?

李淼:这个发现要比“上帝粒子”发现更重要。如果没有上帝粒子,我们的粒子标准模型就是不完备的。但是如果没有暗物质,粒子标准模型也是完备的,只是天文学家和宇宙学家会困惑。如果丁肇中团队的发现被确认,这肯定是这几十年来的重要科学发现。

延伸阅读

中国暗物质实验室全球最深,条件最好

地下实验室是暗物质实验一个必不可少的条件。目前,全球的地下实验室有十几个,为了避免专门挖掘地下实验室的高成本,它们都是利用已有的土建设施,基本分为两类,一类是利用废弃的矿井,比如美国700米深的SOUDAN地下实验室,在建的DUSEL地下实验室有几百米到2400米深的多个实验厅。另一种是利用隧道,在隧道里横向挖出实验大厅。最著名的有意大利的GRAN SASSO 地下实验室,入口建在一条10公里长高速路隧道的中部,上方有1700米岩石覆盖,实验室内有3个各100米长、20米宽、20米高的实验大厅和众多较小的实验厅和通道,内容积目前世界第一。

2010年12月,中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅,尽管目前大厅总容积不是很大,但它是目前世界上条件最好的地下实验室:首先,它是当前世界上最深的地下实验室,上方有2.5公里岩层覆盖,宇宙射线通量最少,每平方米每周只有一个μ子通过,比意大利GRAN SASSO实验室小300倍。其次,地下实验室所在处不是花岗岩,而是大理岩,其自然放射性相当低,实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低,和意大利GRAN SASSO的岩石相比,放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数,包括宇宙射线通量、光子和中子的通量,都在测量之中。

DAMA实验

DAMA实验位于意大利的GRAN SASSO地下实验室,选取碘化钠晶体做探测器,使用了非常灵敏的光电管来探测碰撞后产生的光信号,光电管可以探测到一个光子(肉眼在白天每秒会看到1016个光子)。中科院高能所有几位科学家是该实验组成员。DAMA经过了十几年的观测,宣布发现了WIMP的年调制信号,所谓年调制, 是指WIMP相对于太阳的速度是一定的,而地球在围绕太阳公转,因此,WIMP相对于地球的速度在冬天和夏天稍有不同,WIMP信号的事例率也会有周期一年的起伏。不过这一结果没有得到其他实验组的证实。

CRESST实验

CRESST实验同样位于GRAN SASSO,该实验使用钨酸钙(CaWO4)晶体作为探测器。它们将晶体冷却到零下273摄氏度,只比绝对零度高0.05摄氏度。WIMP碰撞的热信号会造成晶体温度升高0.01摄氏度,再通过高灵敏度的“温度计”来测量温度变化。CRESST一期结果已经发表,没有找到暗物质,二期结果正在分析之中。

XENON100实验

位于GRAN SASSO地下实验室的XENON100实验是目前灵敏度最高的实验之一,上海交通大学是参加实验单位之一。XENON100使用了165公斤的液氙作为探测器,能够探测光信号和电信号,通过两者之间的比例关系,可以更有效地区分WIMP信号和外界普通粒子引起的信号,从而大大提高了实验灵敏度。在2010年初发表了一个月的观测结果,并没有看到暗物质粒子。目前该实验已经采集了一年的数据,正在紧张地进行数据分析。是否会发现暗物质粒子,大家都拭目以待。

CDMS实验

CDMS实验位于美国SOUDAN地下实验室,它使用硅晶体和锗晶体作为探测器。CDMS经过一年多的观测,在2009年底发表了测量结果,宣布找到了两例疑似WIMP信号事例。尽管有一定的可能性是噪声事例,还是引起了科学界的极大关注。

CoGeNT实验

CoGeNT实验使用高纯锗探测器来观测WIMP碰撞产生的电信号,也发现了疑似信号事例,还有待于进一步证实。

陈雅娟 本文来源:东方早报 责任编辑:王晓易_NE0011
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