宇宙中的暗物質(zhì)粒子

錢　峰

且看宇宙是如何展示其“暗面”的：在美國明尼蘇達(dá)州北部，在一個800千米深的被廢棄的鐵礦里，一個超低溫的晶體探測器捕捉到一個微弱的熱脈沖，說明有某些重粒子撞擊到了晶體原子。而其他儀器卻一無所獲，說明入侵者正是尚未被我們所認(rèn)識的物質(zhì)粒子。明尼蘇達(dá)的這一事件是近幾個月來的所有同類事件的其中之一。研究人員認(rèn)為，要么是未知粒子撞擊晶體產(chǎn)生頻率激增，要么是普通粒子穿越了探測器。要是證明確有未知粒子穿越，那么，宇宙間的這些比可見物質(zhì)重得多的暗物質(zhì)即將揭開其神秘的面紗。

相同的實驗將在2000年夏季展開。某地設(shè)在美國加州大學(xué)伯克利分校的一支研究小組正打算在明尼蘇達(dá)索丹礦進(jìn)行名為超低溫暗物質(zhì)探測的計劃。同樣的計劃將在意大利某山下的格蘭·塞索實驗室，在英格蘭深達(dá)1000米的波爾貝鹽礦或其他地下實驗室內(nèi)展開，目的在于避開放射性物質(zhì)及宇宙射線的干擾。研究人員將采用更大更復(fù)雜的探測儀器捕捉交斥在星系及不斷透過我們地球的暗物質(zhì)粒子。

不久前，意大利某實驗室的研究小組報告說，他們的探測器捕捉到了一種非同尋常的信號，科學(xué)家們曾認(rèn)為，捕獲行動即將大功告成。但經(jīng)過仔細(xì)分析，成功的可能性被排除了。但研究人員仍然信心十足，期待著成功的真正來臨。芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家米切爾·特納說：“成功地捕獲隨時都可能發(fā)生?！?/p>

一旦暗物質(zhì)粒子成功地被捕獲，宇宙暗面的大門即將開啟。天文學(xué)家認(rèn)為，在望遠(yuǎn)鏡里所見到的星球、 星系及發(fā)光氣體僅僅是宇宙彌散的輪廓， 換言之， 這只是宇宙的表象， 宇宙的真正內(nèi)涵還深藏不露。

無法在加速器里產(chǎn)生的暗物質(zhì)粒子，組成了宇宙絕大部分質(zhì)量。而在過去的兩年中，科學(xué)家們認(rèn)可了第二類暗物質(zhì)的候選對象，那就是一種暗能量粒子，作用就如同宇宙的發(fā)酵劑，促使宇宙——也可以說是暗物質(zhì)——快速膨脹。

這是一幅怪異的，不可捉摸的景象，使得我們所熟知的明亮的宇宙將還原到它的原態(tài)。面對證據(jù)，絕大部分天文學(xué)家都無可爭辯。數(shù)十年前，他們早就注意到，就如同人類所在的那些網(wǎng)狀的星系旋轉(zhuǎn)得如此之快，除非有超量的物質(zhì)提供超量的重力牽制，否則，它們將飛到它們的原有軌道。最好的計算結(jié)果表明，宇宙間不可見物質(zhì)比可見物質(zhì)至少重100倍。

對巨大星系群的研究，提供了相同的證據(jù)。正是交斥在星系之間及宇宙空間最致密的不可見物質(zhì)，牽制了星系群不致飛離它們的原有軌道。這種附加的超量物質(zhì)也正解釋了為何星系群具有強(qiáng)大的引力場，致使遠(yuǎn)距離的物體所發(fā)出的光線能產(chǎn)生折射現(xiàn)象。

多年以來，天文學(xué)家認(rèn)為，在星系內(nèi)的超強(qiáng)引力，至少來自于褐矮星甚至能夠被恒星照亮的行星等某些普通物質(zhì)的尚未被人類發(fā)現(xiàn)的層面。但是，天文學(xué)家又把目光轉(zhuǎn)向了外星系的星球，企望在它們出現(xiàn)的一瞬，能夠找到所謂的“超致密光暈體”的蹤跡，遺憾的是，該研究并未真正揭開暗物質(zhì)之謎。20世紀(jì)90年代后期，“超致密光暈體”的研究逐漸銷聲匿跡。

暗物質(zhì)之謎在理論物理學(xué)家的心目中久久不能拂去。據(jù)理論推測，所謂的暗物質(zhì)至少有兩個候選者，其一為軸子，其重量僅為電子的十億分之一；另一個為弱相互作用巨粒子——大爆炸的殘留物質(zhì)，重量與金屬原子相當(dāng)。軸子和弱相互作用巨粒子在穿越星系暗物質(zhì)云時，能隨意穿透地球，作用在普通物質(zhì)上的力對它們毫無影響。

要捕捉暗物質(zhì)粒子，首先要解決一個難題。探測某個粒子，即意味著必須促使該粒子在探測器里與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，而這正是暗物質(zhì)粒子所不具備的物性。以弱相互作用巨粒子為例，每一秒時間內(nèi)都有數(shù)千個這樣的粒子透過人體的每寸肌膚而對人體不造成任何傷害。

因此，在費米國家加速器實驗室工作的宇宙學(xué)家諾基·科爾勃就曾說過，想像一個暗物質(zhì)的候選者比找到它容易得多。

全球的研究小組一致希望，解決方法在于設(shè)計一臺分辨率極高的探測器，從無數(shù)個信號源中甄別出某個暗物質(zhì)粒子，并且不受放射性物質(zhì)及宇宙射線的污染。超低溫暗物質(zhì)探測小組，也正著手用鍺及硅制作一個冰球大小的探測盤，將其溫度降到絕對零度，然后在其外表包一層探測傳感器，用以捕捉弱相互作用巨粒子。這樣，就可將探測器的靈敏度提高1000倍。羅馬大學(xué)的暗物質(zhì)研究小組，正著手制作一個重達(dá)100千克的碘化鈉探測器，其直徑要比原有探測器大1倍。碘化鈉制作的探測儀，當(dāng)有粒子穿越時，就會發(fā)出微弱的光信號。

至2002年，意大利的格蘭·塞索實驗室將制作一個超低溫晶體探測器，從而開始名為“克萊斯特”的實驗計劃；一個用液態(tài)氙捕捉弱相互作用巨粒子的名為“齊帕琳”的探測研究計劃，將主要在英國的波爾貝鹽礦內(nèi)展開。探測研究的目的只有一個，即全力捕獲弱相互作用巨粒子及軸子——這兩個暗物質(zhì)粒子的候選者。

在積極行動的背后還存有一些不安，因為就算捕獲了某個暗物質(zhì)粒子，離徹底揭開暗物質(zhì)之謎還有一段距離。暗物質(zhì)始終是宇宙學(xué)上一個耗時耗力的難題，就如華盛頓大學(xué)的天文學(xué)家克雷格·霍甘所言，暗物質(zhì)是一個既古老又現(xiàn)代的怪異的話題。