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暗物质到底发现得了吗?

2017-2-15 01:15| 投稿: xiaotiger

摘要: 人类对暗物质的探寻工作正在进入最后关头。    对于大部分天文学家来说,暗物质其实和恒星、行星一样,是一种可供触摸的东西。我们照例能够绘制它们的分布图。我们想像星系是由暗物质和少量可见物质构成的团块。 ...

人类对暗物质的探寻工作正在进入最后关头。

  

  对于大部分天文学家来说,暗物质其实和恒星、行星一样,是一种可供触摸的东西。我们照例能够绘制它们的分布图。我们想像星系是由暗物质和少量可见物质构成的团块。我们可以在暗物质的语义环境下,理解宇宙结构的形成,以及宇宙作为一个整体的演化方式。但是多年以来,许多手法老道的搜寻行动都以失败告终,无法直接检测到这种物质。我们看到了它的影子,但仍然对宇宙的黑暗面一无所知。

  暗物质当然不是常规物体或粒子——这种可能性在很久以前就已经被我们排除。理论预测倾向于认为这是一种新奇的粒子,它只能和常规物质发生弱的相互作用。不计其数的这些粒子,可能无时无刻不在穿越我们的行星,按理说它们总会留下一点蛛丝蚂迹。物理学家在低温容器中装满生长晶体,把它们深埋在地底,剔除普通粒子,寻找是否有某种我们从未见过的东西在那里经过并留下微小的脉冲热信号和闪光。结果并不令人鼓舞。人们在美国南达科他州一座废弃的金矿里安装了所谓的LUX实验装置,结果一无所获。在地底2.4千米深处进行的中国熊猫计划(PandaX)一无所获。在法国阿尔卑斯山附近1.7千米地底隧道中进行的EDELWEISS实验也一无所获。随着时间的推移,这个一无所获的名单还在不断加长。

  零成果迅速地收缩了暗物质可能存在的空间。由于数据的缺乏,理论物理学家提出的新设想不免显得更加古怪、离奇,这些新方案中的大部分更加难以检测。有人期待我们可以用粒子加速器来制造暗物质粒子,这样我们就可以通过检测是否有能量在粒子对撞中损失,来推断暗物质的存在。但是到目前为止什么也没有发现。部分理论家猜想暗物质根本不存在,是引力理论——爱因斯坦的广义相对论——把我们带入了歧途。广义相对论告诉我们,假如没有一种看不见的物质维系,星系就会瓦解,也许这个理论是错的。但是事实证明广义相对论能够通过其它观测结果的检验,其竞争对手看上去也都有致命缺陷。

  百分之八十五的物质是看不见的。而最让人感到恐惧的是,这种情况还会一直延续下去。

  虽然大部分实验让人失望,但仍有两个自称有所发现。它们都高度可疑。这些门外汉可能犯了错,不过却值得一提。至少它们证明,要通过对宇宙的一知半解来寻找暗物质是多么困难。

  人们在意大利北部山区地底1.4千米深的一条隧道里安装了所谓的DAMA/LIBRA粒子传感器,试图寻找分散在碘化钠晶体原子核周围由暗物质粒子产生的闪光。人们收集了13年的数据,从中发现了一些非常奇怪的东西。人们发现数据曲线会发生季节性波动,每年六月达到最高值,十二月跌入最低值。

  我们看到了它的影子,但仍然对宇宙的黑暗面一无所知。

  这种表现恰好符合我们对暗物质的预期。人们认为暗物质会在银河系周围形成一个巨大的晕。从中穿越的行星和这个晕的相对速度会发生周期性变化,因为行星会围绕太阳运行。地球和这个晕的相对速度会在每年六月达到最高点,十二月达到最低点。因此传感器获得的数据中也会出现周期性的波动。

  DAMA动用了足够多的数据来进行这种统计,它所发现这种周期性变化无可否认是存在的。但其它粒子产生源或机制也会导致数据中出现类似波动,例如地下水的流动会影响到辐射的背景基准,又比如大气层中的μ介子。全球其它五个实验装置声称他们获得的数值极限和DAMA公布的不符。不过最信得过的方法是把相同的传感器安装在不同地点,这一工作现在已经开始实施。其中一台传感器会被安装在南极。在那里,季节产生的效应和在意大利极为不同。

  第二个有趣的暗物质迹象来自间接实验,这样的实验并非是寻找这些粒子本身,而是寻找它们互相碰撞湮灭后产生的所谓“二手”粒子。2008年,一颗名为PAMELA(正反物质探索和轻核天体物理学载荷)的意大利-俄罗斯合作卫星观测到来自深空的正子——也就是反电子的数量超出预期。最近该观测结果又被国际空间站上的阿尔法磁光谱仪证实。与此同时,费米卫星报告说在银河系中心方向观测到一团模糊的伽玛射线光晕——而这正是人们心目中暗物质应该具有的形态:它以星系核为中心呈球状对称,且中心密度要高于四周。

  这些观测成果好得让人不敢相信。不幸的是,无论是正子,还是伽玛射线都可以用急速旋转的中子星,也就是所谓的毫秒脉冲星来解释。正子的结果和暗物质候选者的特征不匹配。要弄明白这些事,我们需要核实这些正子是否来自已知的中子星。伽玛射线中出现的波动更像来自银河中心附近那些弱的、未被解析出来的大量脉冲信号源。要想知道伽玛射线是否来自暗物质,天文学家必须对邻近的小型矮星系进行检测,寻找类似信号。因为这些矮星系所含的暗物质比例要比银河系高。但人们并没有找到这样的信号。

  人们致力于寻找的目标大多是那种最为简单的候选粒子,也就是所谓的“弱相互作用大质量粒子”。“弱”在这里有双重含义:一是指它们的相互作用非常弱,二是指它们的相互作用是通过所谓的弱核力进行的。这样的粒子是粒子物理学中标准模型的自然延伸。即便对细节一无所知,“弱”这个形容词所透露出的信息也足以让我们对有多少这样的粒子扩散在宇宙中进行计算。在大爆炸产生的炽热原初汤时期,粒子是自然而然被制造出来和消灭的。随着宇宙的膨胀,温度开始下跌,于是各种质量、各种类型的粒子一个个出现了。这些粒子依然是可以被消灭的,它们被消灭的难易程度取决于它们相互作用的强度。这种情况会一直持续到它们由于过于分散而无法再互相接触为止。

  如果我们知道了这些弱相互作用大质量粒子相互作用的强度,那么我们就可以算出,在早期宇宙这口大锅里,曾经制造出足够多的暗物质。这些暗物质多到能够被直接观测到,构成它们的粒子至少要比质子重数百倍。总而言之,在宇宙的早期,曾经出现过一段物理学家梦寐以求的时期,出现过“弱相互作用大质量粒子的奇迹”。

  美丽的假说常常会被丑陋的现实击毁,而这可能就是其中一例。物理学家因此更加热切地渴望,探索另一种遥远的可能。

  我们现在的境遇是所有科学家都梦寐以求的。原有的观点不再有效;新的观点需要被提出。

  也许暗物质粒子的质量极为巨大。有一个基本事实,粒子的质量越大,构成等量物质所需的粒子数就越少。因此它们可能只是数量实在过于稀少,以致于我们的传感器很难撞见。物理学家可能需要寻求某种完全不同的策略,这种策略可能会涉及到古老的中子星等天体会对这些粒子产生什么样的效应。

  另一方面,暗物质粒子也有可能质量太小,以致于无法在我们的传感器上留下印记。要寻找它们,物理学家可能需要利用大自然赐予我们的一个巨型传感器:太阳。太阳在银河系的暗物质云中穿行时会持续地扫过暗物质粒子。这些暗物质粒子会被太阳内部的质子散射并改变太阳的温度特征。而这会影响到太阳外层湍流气体的上升、下降和回旋。我们可以利用日震学原理,来研究存在于太阳内部的扰动,及其在太阳表面呈现出来的结果,就像我们通过地震学来研究地球一样。事实证明,太阳的震动的确存在着某种不符合标准太阳模型的异常。

  假如暗物质粒子能够在太阳内部堆积,那么它们也会在太阳的内部发生湮灭。这会导致太阳产生高能中微子。这些中微子能够被诸如日本Super-Kamiokande和南极IceCube观测站这样的传感器感知到。但到目前为止还没有任何候选事件被发现。

  超轻粒子的最极端类型是所谓的轴子,这是一种假想中的弱相互作用粒子,其质量只有质子的万亿分之一甚至可能更小。它可能并非完全不可见,它会和电磁力发生作用,并在强电磁场腔内产生微波光子。致力于寻找轴子的实验从1980年代就已经开始,但收获甚微。

  也许暗物质粒子甚至都不是一种粒子,而是“非粒子”。非粒子是那些能量不由离散包构成的电磁场的远亲。它们会在对撞数据中留下间接踪迹。也许暗物质的身份并不只有一种。毕竟,常规物质也是由那么多种不同的粒子构成的。暗物质可能是由多种粒子混合构成的。如果我们只着眼于一种,那么其踪迹就会被稀释,搜寻工作自然也十分艰难。也许暗物质之间根本不会发生除了引力之外的相互作用,而这必然成为实验者的梦魇。

  从某种意义上来说,我们现在的境遇是所有科学家都梦寐以求的。原有的观点不再有效;新的观点需要被提出。新的观点可能来自对新奇粒子的探索,也可能来自一种能够把暗物质现象包含在内的新引力理论。

  但人们总是担心,大自然会不会把物理新知放在了我们找不到的地方。虽然我们用来寻找暗物质粒子的方法还未耗尽,但我们能做的实验也只有那么多。当传感器对暗物质的敏感性变得越来越高时,它们对垃圾粒子的敏感性也在提高,而它们并不总能把二者加以区别。以当前的敏感性提升速度,十年之内,它们就无法识别检测到的中微子是来自太阳,还是来自宇宙射线对地球大气的轰击了。

  

  太阳有一颗黑暗的心。太阳是一台自然暗物质传感器。其扫过的任何暗物质都有可能影响它的内部结构,而这种变化可以通过监测太阳表面的振荡发现。图中,太阳表面正在远离我们的区域以红色表示,正在靠近我们的区域以蓝色表示。AURA / NSO / 美国国家科学基金会

  但我们仍然可以追求暗物质检测的非直接意义。最有希望的努力,是智利和加纳利群岛共建的、由100多个望远镜组合而成的切伦科夫望远镜阵列。这个望远镜阵列将参与到人类在银河系及其它星系寻找因暗物质湮灭而产生的伽玛射线行动中来。但该举措最终也会遇到另一个问题:成本。目前,暗物质检测属于主流物理实验中最经济的一种,但假如我们不断地增加它们的大小,提升它们的敏感度和复杂程度,它们的造价就会变得像大型强子对撞机(70亿美元)和韦伯太空望远镜(80亿美元)那样巨大,而且还无法担保一定成功——这对政客来说可不是一桩好买卖。

  寻找暗物质最有力的武器是新型粒子对撞机。物理学家打算在三十年内建造一台威力比大型强子对撞机高七倍的新对撞机。中国和欧洲在这方面都已经开始行动。即便只是大型强子对撞机的简单放大,以今天的物价计算,其造价也高达250亿美元。如果进行跨国合作和分期实施,理论上它是行得通的。但它也有可能会遇到极限。即便物理学家拥有无限的资源,也并不是对撞机造得越大,我们的收获就会越多。用这种方法寻找的未知粒子还必须拥有足够大的质量,且它们的产生方式必须和那些较轻粒子的产生方式相同,然而谁也不能保证宇宙大爆炸制造出了足够多的这类粒子。

  就算这样卖力,我们也可能一无所获。这样的前景是灰暗的。也许根本不存在暗物质。我们仍在广义相对论中寻找错误。但到目前为止我们还没有找到。恰恰相反,2016年我们通过引力波发现了一对并合的黑洞。这让爱因斯坦的理论更加令人信服——与此同时让我们更加坚信暗物质的存在。

  还是让我们看看宇宙光明的一面。如果我们不搜寻,我们就发现不了和大自然黑暗面有关的大量秘密和启示。我们仍在寻找这些粒子,我们接下去所能做的,也只有撸起袖子,加油干。

原作 Joseph Silk/ 编译 老孙

  Joseph Silk是牛津大学宇宙学家,是宇宙微波背景辐射和宇宙结构形成研究方面的领军人物。同时还任职于巴黎天体物理研究所和约翰霍普金斯大学。

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