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【中国科学报】“寻踪”暗物质
2014-12-21|文章来源:中国科学报 郝俊 |【
 
前不久,中国暗物质实验合作组(CDEX)的最新研究成果在《物理评论D》发表。据媒体报道,该成果将暗物质探测灵敏度提升了大约10倍。

  有不少物理爱好者非常关注暗物质的研究进展。为此,记者采访到多年从事暗物质研究的中国科学院高能物理所研究员毕效军,请他以较为通俗、生动的方式,向大家介绍暗物质研究的背景和此次研究进展的意义。

  《中国科学报》:首先请介绍一下什么是暗物质? 

  毕效军:简单来讲,暗物质就是“在宇宙中还没有被我们‘看到’的物质”。这个解释马上会引起两个疑问:何为“看到”?既然没有“看到”,那凭什么知道宇宙中存在这样的物质?

  在天文学上,技术发展最充分、设备最为先进、能力也最强大的“看”的办法,就是探测来自太空不同物质发射的各种波段的电磁波。没有“看到”的物质,也就是指在全部的电磁波段,我们都没有看到这类物质的电磁辐射,它们对于我们来讲是“黑暗”的。

  另一方面,虽然我们从来没有直接“看到”宇宙中存在暗物质,但我们却发现了由于暗物质的引力作用对其他可见的物质运动的影响,这就是我们断定宇宙中存在暗物质的理由。目前从星系到宇宙学尺度的观测,都发现可观测物体运动的异常现象,由此我们推断宇宙中可能存在我们还没有“看到”的物质,即暗物质,它们通过引力效应影响了可见物体的运动。

  《中国科学报》:既然如此,科学家如何对暗物质进行探测? 

  毕效军:由于暗物质粒子不参与电磁相互作用,通常的天文观测方法很难发现它的踪迹,为了了解其本质,目前的探测方法大致分为三类。

  首先是在对撞机上将暗物质粒子“创造”出来,从而研究其物理特性。由于暗物质粒子不能被探测器直接观察到,因而,它们表现为一部分能量丢失了,从丢失的“能量”和分布可以推测暗物质的某些性质。

  第二种方法是直接探测法。该方法是直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生碰撞的概率很小,产生的信号也很“微弱”。为了降低由宇宙线与探测器碰撞造成的本底噪声信号,通常需要把探测器放置在很深的地下。暗物质直接探测实验,是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式。目前的实验精度下,我们只可能探测到弱作用重粒子(WIMP)的信号,而更弱的信号,如轴子、超对称引力子是无法用这种方法探测的。中国暗物质实验合作组(CDEX)的研究,就是通过这种方法探测的。

  第三种办法称为暗物质的间接探测法。间接法是观测暗物质粒子衰变或相互碰撞并湮灭后产生的稳定粒子如伽玛射线、正电子、反质子等。根据目前的理论模型,暗物质粒子衰变或湮灭后,可以产生稳定的高能粒子,如果我们能够精确测量这些粒子的能谱,可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。

   《中国科学报》:探测暗物质的科学意义是什么? 

  毕效军:我们认为,暗物质是在宇宙极早期产生的,并且遗留到了今天,当时的宇宙温度非常高,远高于目前对撞机所能产生的能量。探测宇宙中的暗物质并了解其性质,就相当于我们直接在观测宇宙的超大对撞机给我们产生出来的新粒子,这对理解超出粒子物理标准模型的新物理、理解物质的基本相互作用有重大科学意义。

  《中国科学报》: CDEX将暗物质探测的灵敏度提升大约10倍是如何做到的? 

   毕效军:主要是通过增加新的设备以压低本底、设计了新的数据分析方法等手段实现的。

  《中国科学报》:有研究者将探测暗物质比喻为“追捕”,好比在茫茫大海上捕鱼。这是否意味着,目前科学家们的工作主要集中于对“追捕区域范围”的确定? 

   毕效军:我感觉,找暗物质有点像找今年3月“马航”的失联飞机,通过一块海域、一块海域的排除,最后找到飞机所在的地点。

  我们不知道暗物质在哪个区域,就像不知道这个飞机在哪儿一样,只能一块、一块地排除完了才能确定。当然,也有可能,就是把怀疑的海域都排除了,仍然没有找到飞机。那说明,我们一开始的推断可能有问题,也许飞机没有坠海,而是在其他地方。

  暗物质探测也一样。我们也是在搜索一块高度怀疑的“海域”,但目前仍然没有迹象。有可能在下一块海域就找到了,也有可能搜索了一遍仍然没有找到。

  《中国科学报》:暗物质研究领域未来几年的重点方向是什么?科学家们能否预计,大概何时能够“捕获”暗物质的踪影? 

  毕效军:未来几年的重点仍然是增大探测器体积、减小本底以提高灵敏度,首先力争把我们怀疑的区域都搜索完。因而,何时“捕获”是完全无法预料的,运气好的话,也许明天就让我们碰上了,运气不好,也许搜索完了也没能发现。

  (原载于《中国科学报》 2014-12-19 第7版 科普)


 
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