第二轮暗物质搜索行动启动

图片来源：SNOLAB

 

科学家加大研究力度，欲捕捉到被认为是组成宇宙暗物质的罕见粒子。我们可以通过重力感受到现在仅存在于理论的这些粒子，它们通常粘附在宇宙的普通粒子上，却不可见不可触碰。专门用于研究暗物质粒子和普通粒子交流的实验，历经数十年仍无任何收获，对许多暗物质的解释也接连碰壁。然而科学家并未放弃，最近三项大型实验获得批准，可通过升级，将有望到达敏感区域，并最终找到这群狡猾的无形粒子。

 

将继续展开的实验分别为：超低温暗物质搜索任务（SuperCDMS），LZ暗物质实验（LZ）以及轴子暗物质实验（ADMX-Gen2），三者是现有实验中规模最大，操作时间最长的项目。美国能源署以及美国国家科学基金会上周联合发表入选名单，另外有20多个项目落马。SuperCDMS和LZ实验将搜素的可能暗物质粒子被称为“大质量弱相互作用粒子”（WIMPs），而ADMX-Gen2实验将找寻的是另一种粒子—轴子。

 

当业界还在担心联邦政府预算吃紧是否会让实验研究经费缩水的时候，获得批准的两项“大质量弱相互作用粒子”研究不禁让人舒了口气。Blas Cabrera，一名斯坦佛大学的物理学家，同时身为SuperCDMS实验的发言人，表示，“我们中大部分人都很担心因为资金吃紧，下一代实验研究会缩小至一个，但是我们想到的大部分拒绝理由又太不合理。”其中一个便是，两项实验都应继续开展，因为它们使用的是不同的物质：SuperCDMS混合使用锗和硅，由二者充当“侦察兵”；而LZ实验使用的是液态氙。如果“大质量弱相互作用粒子”与这些原子碰撞，就会相应释放出小部分能被检测到的能量。某些暗物质理论认为，“大质量弱相互作用粒子”可能以不同速率与不用的元素相互作用。Cabrera认为，“物质的本质可能比我们的预想更为复杂，我们还需想的更全面一些。”

 

同样，Cabrera还认为，继续开展对轴子的搜索同样重要，因为理论学家相信相比起“大质量弱相互作用粒子”，轴子的质量更轻，对外交流的频率更低。两种粒子都能够证明暗物质在宇宙的大量存在，但是它们本身的存在却缺乏证据。（也有可能，两者都存在；或者暗物质是由其它物质来源组成。）

 

关于轴子是否存在的问题几乎就要有答案了。来自西雅图华盛顿大学，作为ADMX实验的发言人，Leslie Rosenberg表示，“2.0版实验会监测到轴子的存在；否则，它会推翻以前的假设。”如果轴子真实存在，ADMX实验使用的强力磁铁会将其诱变成光量子。元素的衰变将会产生少量可被机器监测到的电磁波；机器会被放在极低温度下，以防污染性的辐射漏出。升级版的实验会采用一项新型制冷技术，可将温度从1.5开尔文（零下271.6摄氏度，已经属于极低温）降至仅0.1开尔文。三年之内，ADMX-Gen2就将发现轴子或至少证明既有理论提出的轴子类型不存在。

 

其它并未中标的暗物质探测实验还使用到了激光以及所谓的“泡泡室”。后者会监测暗物质在与极高温度的碳原子，氟原子和碘原子互动中产生的气泡。其中有一个用到“泡泡室”，名为PICO的项目仍执意开展实验，并继续申请基金。来自芝加哥大学宇宙物理学Kavli研究院的Juan Collar，同时是PICO研究队的成员，表示，“我们收到了很好的评价，但是现在我们还没有做好准备。我们现在正在解决一个后台问题。我们对结果很满意，它帮我们减压不少。”

 

现已证明暗物质的踪迹比科学家研究之初所预想的要更难以追寻。然而，很多科学家仍满怀希望。新一代暗物质实验有可能真的找到这些消失的粒子。如果结果并非如此，至少我们会知道哪些不是暗物质。Cabrera说，“在科学里，排除总是跟发现同样重要，但是当然啦，发现要有趣的多。”（撰文：克拉拉?莫斯科维奇（Clara Moskowitz）  翻译：蒋慧桢  审校：谢紫薇）

 

 

原文链接：

http://www.scientificamerican.com/article/dark-matter-search-second-generation/