[学者笔谈]符长波:暗物质勘探小记
来源:明日方舟网 发表于2019-07-25 17:08:39 编辑:耿斯汉
摘要: ■ 地理学家在这些新的波段内,企图勘探那些在可见光波段内的不行见的暗物质。可是这些查找都被证明是白费,反而进一步证明了,咱们所在的国际大部

■ 地理学家在这些新的波段内,企图勘探那些在“可见光”波段内的“不行见”的暗物质。可是这些查找都被证明是白费,反而进一步证明了,咱们所在的国际大部分是由奥秘的暗物质构成。

 

 

[学者笔谈]符长波:暗物质勘探小记

■ 暗物质勘探是现在天体物理和粒子物理的抢手研讨范畴。

人类好奇心

 

有这么一个广泛撒播的关于保安的戏弄:每个保安天天都在重复诘问三个终极哲学问题:“你是谁”、“你从哪里来”、“你要到哪里去”。其实不单单是保安,大到整个人类社会,小到每个刚刚学会说话的小朋友,都会常常问这些与生俱来的问题。当一个小朋友两三岁时,依然懵懵懂懂,抑或略晓世事,都会问父母这样的问题“我从哪里来的?”。也许是在这种原始的驱动力效果下,地球上每个民族,即便是刚刚步入文明,都会企图答复“我是谁?从哪里来?到哪里去?”的问题。答案缤纷多彩,随前史年代改动而改动:或许从宗教方面答复;也或许从哲学方面答复;到了近代更呈现了所谓的科学答案。

 

例如,就“人类从哪里来”的问题,答案就很丰厚而风趣。我国古代关于人类从哪里来的解说是“女娲造人”。相传女娲依据自己的形象,抟泥成形,五官七窍,躯干四肢,各各清楚。放在地上,哈上一口气,竟然就活了,而且唐塞至今。就“国际从哪里来”的问题,我国古代的答案是“盘古开天辟地”。国际本自混沌,像个大鸡蛋。盘古这个老祖宗在这个鸡蛋里待久了,感到厌恶了,就一斧子劈开了这个混沌国际。于时“混沌既分,阴阳剖判;轻清者上浮而为天,重浊者下凝而为地”。宗教界对人类来历、国际来历的问题答案就偷闲的多,即把一切的不能答复的,都通通推到神的头上。比方基督徒说,整个国际和人类是天主花六天时刻造的。假如你要问天主是谁,又花了多少时刻造的?一般的神学家会回绝答复这个问题。

 

科学也不能免俗,相同要答复三个终极哲学问题:是谁?从哪来?到哪去?其实科学探究这些答案的进程也并非一往无前,而总是磕磕绊绊,而且许多时分还与神学交错在一起。牛顿,这个近代科学的奠基人,他创立了包含万有引力理论在内的古典力学体系。可是晚年的牛顿在研讨行星为什么会环绕太阳作业时,把初始条件,归结于天主,即来自于天主的“榜首推动力”。

 

可是无论如何,在人类激烈好奇心的驱动下,对这个国际寻根刨底,步步深化,给出了一个又一个几乎是不行思议的答案。今日,咱们知道,向微观小标准方向,物质是由原子组成的;原子是由电子、质子、和中子构成的;质子中子由是由夸克以及其它底子粒子构成等等。咱们也相同获悉:向微观大标准方向,人类寓居在地球上;地球环绕太阳运动;底子算不上起眼的太阳处于银河系的一个悬臂上;银河系是很多星系中十分不起眼的一个;而一切这一切都是从开始的火球胀大而来;组成咱们身体的氢原子是从这个大爆破而来,而组成咱们身体的其它重元素,碳,氮,氧等,则是由国际中美丽的焰火,超新星爆破而生成的。在人类理性光芒的照射下,国际的每个层次都适当地明晰、乃至是完美地展示出来。

 

可是合理咱们要慨叹人类的巨大时,忽然发现国际中有95%以上的物质和能量咱们彻底不了解。这些鬼魂般的物质彻底存在于咱们的视界之外。它破坏了历经数个世纪勤劳架构的科学体系。究竟,假如一个理论体系只描绘了5%的方针,真实不能称为好体系。

 

暗物质问题

 

暗物质问题开始是由地理学家在地理观测中发现的。早在1933年,瑞士地理学家Fritz Zwicky在研讨星系团中的星系的重力质量时,发现了所需质量至少是发光物质质量的400倍。他称这些不发光的物质为暗物质。虽然后来的研讨标明,400倍这个数字被认为是高估了,可是这不改动暗物质质量远大于发光物质质量的现实。

 

[学者笔谈]符长波:暗物质勘探小记

 

暗物质研讨的另一重要前驱是美国女地理学家Vera Rubin。在上个世纪50年代,Vera Rubin仅仅是个二十二岁,攻读硕士学位的年青姑娘。她在硕士论文研讨期间,体系的研讨了很多星系中单个星体的氢原子谱线。因为多普勒效应,恒星的氢原子谱线会因为星体的运动而蓝移或红移。经过丈量蓝移,或红移的多少,就能确认星体自身的运动速度。研讨银河系之外的恒星运动,要比研讨银河系内的恒星运动简单得多。银河系是圆饼形结构,而太阳系处在圆饼的面上。因而假如要观测银河系里的其他恒星时,近处的星领会屏蔽住远处的星体,然后构成观测困难。直到今日,这个问题依然没有解决。不管怎样,Rubin堆集了很多的恒星观测数据,特别是河外星系案例。跟着数据的逐渐堆集到满足多时,她测验使用这些数据去描绘星系或星系集团的全体运动状况。Rubin的观测数据显现,星系或星系团,环绕着某个中心点在运动。这样的运动,不难用万有引力去描绘。假如代入观测到的恒星的质量,那么会得出结论:跟着星体间隔中心越来越远,星体的速度会越来越慢。可是观测到的现实却并非如此,即便在离中心很远的当地,天体的运动速度并没有如等待的那样显着减小。Rubin意识到,有必要引进新的质量,即暗物质,才干解说这种差异。而且令她惊奇的是,所需引进的暗物质的总质量,要远大于被观测星系中已观测到的星体质量。

 

可是Rubin的这个开创性的作业,现实上在其时并没有得到同行的留意。她自己也在随后的博士论文研讨,和再后的职业生涯中,转向了比较干流的、不太冒险的星系光谱学研讨。可是在1970年左右,她又转回了自己的暗物质研讨,宣布了一些新的试验依据。这些成果也逐渐为其他试验组证明。直到二十世纪八十年代,她当年的硕士论文成果才总算逐渐被学界广泛承受,即:星系中确实存在着很多的未被观测到的暗物质。

 

[学者笔谈]符长波:暗物质勘探小记

 

跟着暗物质(或许精确的说,没能被所用仪器观测到的物质)存在的现实逐渐被承受,不少地理学家企图使用新的勘探技能,即不同波段的光子勘探器,去观测天体。此前,绝大多数的地理观测是使用可见光波段的望远镜。可见光波段,大约从400nm到700nm,关于整个电磁辐射光谱来数,是个十分狭隘的规模。电磁辐射波波长可所以恣意长度。例如:日常的收音机波长数十米;手机所用的信号波长数十厘米;X光机所用的X光波长约为十亿分之一米等等。在二十世纪八十年代,逐渐开展和建立了很多的红外、远红外、射电、紫外、X光、gamma光等波段的地理望远镜。地理学家在这些新的波段内,企图勘探那些在“可见光”波段内的“不行见”的暗物质。可是这些查找都被证明是白费,反而进一步证明了,咱们所在的国际大部分是由奥秘的暗物质构成。

 

暗物质组成之谜

 

暗物质会不会是由一般的重子物质构成的呢?国际中存在着光度十分暗的天体,例如行星、中子星、黑洞、变老的白矮星等,它们或许因为宣布的电磁辐射较弱而没有被观测到。可是,假定暗物质首要是由重子物质组成与地理观测现实有很大的对立。现实上,假如假定了现在重子的总量,那么理论上能够计算出在大爆破初期构成的氦元素的丰度;假如假定暗物质大部分是由重子物质构成,将导致氦元素观测值与理论值的极大不符。除此之外,重力透镜等试验观测也相同标明,不发光的暗天体,底子不行能抵达发光物质总量的十倍之多。归纳种种地理观测成果,现在科学界普遍认为,重子物质总量不行能超越国际悉数物质的6%。

 

已然暗物质的首要成份,不行能是由重子物质构成,那么理论学家企图构建新的模型,估测暗物质的或许成份。一种粒子,假如能作为暗物质的候选者,有必要具有适当长的寿数,而且不行能参与强好像效果和电磁彼此效果。因为假如暗物质寿数较短,因为暗物质的总量很大,暗物质的衰变产物将会适当多,那么暗物质早就被勘探到了。相同,假如暗物质粒子参与电磁和强彼此效果,因为电磁彼此效果和强彼此效果都十分强,那么暗物质就不行能那么“暗”了。现在比较抢手的是暗物质候选者有弱彼此效果重粒子WIMP(Weak Interaction Massive Particles)和轴子Axion等等。WIMP和Axion都仅参与重力和弱彼此效果,因而使得它们好像中微子相同,四通八达的穿越勘探器,几乎不留下痕迹。这就给观测这些鬼怪似的暗物质粒子构成了难题。有必要要特别设备和环境。

 

搜索暗物质

 

暗物质勘探是现在天体物理和粒子物理的抢手研讨范畴。在地球上,因为无时不刻都有很多的国际射线炮击大气层。它们中心的一些,或许抵达地表,乃至深化地下。因为暗物质与作为勘探器的物质发作彼此效果的几率十分小,因而假如在地表进行暗物质勘探,很多的国际射线本底就会吞没掉暗物质发生的信号。这便是为什么现在直接勘探暗物质的试验,一般都置于地下深处。它们使用地表的岩石(或许冰层、水层等)屏蔽掉国际射线带来的本底信号。例如:意大利的大撒索国家试验室(Gran Sasso National Laboratory)和我国四川的锦屏山暗物质试验室,都是建在山体的地道内;美国的DM-Ice试验,是使用南极的冰层做掩盖,屏蔽掉国际射线本底。锦屏山坐落四川西昌西南约90公里。这儿,雅砻江以“几”字形在锦屏山区流过。为了开发当地丰厚的水电资源,二滩水电站建筑贯通了一条地道(在“几”字形的下部)用于引流发电。这条地道全长约18公里,地道离峰顶垂直间隔约2500米。这些山体岩石的屏蔽国际射线的效果,适当于约7000米深的水层。这是现在国际上当量屏蔽层最厚的试验室。如此得天独厚的条件为暗物质勘探供给了抱负的场所。现在已经有两个寻觅暗物质的试验进驻该试验室。一个是以清华大学为首的CDEX(China Darkmatter Experiment)试验,另一个是以上海交通大学为首的PandaX暗物质勘探试验。

 

对暗物质的另一个重要候选者轴子(Axion)的勘探则选用不同的技能道路。轴子能够与强磁场彼此效果,生成能够被勘探到的光子。例如,欧洲核子中心(CERN)的CAST(CERN Axion Solar Telescope)试验选用9.5Taslas的强磁场,用来勘探来自太阳的轴子。在太阳的中心,电磁场十分强。假如轴子存在的话,当太阳内部的X射线被电子质子散时会在强场中发生轴子。这些来自太阳内部的轴子会和中微子相同轻松的穿过太阳,发射出去。当轴子抵达地表的CAST勘探器后,会与CAST的强磁场彼此效果而生成易被勘探的光子。同类的试验还有意大利的PVLAS, 美国华盛顿大学的ADMX(Axion Dark Matter Experiment)等。

 

在篮球场上,当运动员甲抛球到运动员乙手上时,两个运动员先后都会感到力的效果,而球在其间扮演了“力传递者”的人物。底子粒子间的彼此效果也是如此。两个粒子彼此效果能够经过交流“球”,也便是介子来完成。轴子能够扮演介子的人物传递彼此效果力。这种效果力不同于已知的四种底子彼此效果(重力,电磁力,强彼此效果力,弱彼此效果力),因而被称为第五力。经过丈量两个粒子之间彼此效果力的反常,能够勘探是否有轴子存在。例如由美国杜克大学,印第安纳大学,上海交大协作研讨的极化3He试验便是使用此特色。假如轴子存在,极化3He原子核的核磁共振频率将会有细小的改动,经过对3He核磁共振频率改动的研讨,能够推知是否有新的彼此效果,甚或是轴子的存在。

 

除了上述勘探暗物质办法之外,还有很多其它的方案。例如使用传统的高能的加速器,其所发生的环境能够模仿挨近国际大爆破开始时刻的状况。关于数据的精确剖析,能够抓到那些悄悄溜走的“暗”粒子。国际各地的科学家们正在使用各种或许的手法,企图捉住这个奥秘莫测的鬼魂粒子。

 

李政道先生从前指出:21世纪初的最大物理问题是暗物质暗能量的来历。咱们寓居的这个国际中,竟然有95%以上的物质和能量,咱们底子不知道它们的来历和组成!这无疑是对人类好奇心的最大影响。信任在不久的将来,人类理性的光芒将再次照亮这个现在漆黑一片的范畴,暗物质那时也将不再漆黑。比及那个时分,咱们就能够精确地骄傲地对暗物质说:你是某某;从是某某处来;将会到某某处。

 

学者小传

 

符长波,上海交通大学物理系特聘研讨员。1995年本科毕业于兰州大学近代物理系。这以后参与我国原子能科学研讨院从事核物理与核技能研讨;2007年获美国德州农工大学(Texas A M University)博士学位;同年进入美国国家标准技能研讨院(National Institute of Standards and Technology)做博士后研讨;自2019年参与上海交通大学物理系。

 

现在首要从事暗物质勘探、核天体物理、放射性核束物理研讨作业。在暗物质研讨方面,参与PandaX暗物质研讨方案。PandaX是以直接勘探WIMP暗物质为方针的,坐落四川锦屏山地下试验室的大型暗物质勘探方案。在勘探暗物质其它候选者方面,首要提出了使用极化惰性气体核磁共振的横向衰减时刻办法研讨轴子Axion存在的或许性。经过结合其它核磁共振目标,在亚毫米标准上,给出了Axion自旋相关彼此效果的最好束缚。在放射性核束物理研讨方面,取得了初次观测到N不等Z的核素内的alpha集团;观测到Ne18*双质子发射等重要成果。在国内外学术刊物上宣布文章50余篇。

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