人類為何探究暗物質(zhì)

錢錚

什么是暗物質(zhì)，科學(xué)家們?yōu)楹巫巫尾痪氲刈穼ぐ滴镔|(zhì)的足跡，怎樣才能捕捉到這種看不見的物質(zhì)，阿爾法磁譜儀項(xiàng)目又是怎樣的一個(gè)科學(xué)項(xiàng)目呢？

什么是暗物質(zhì)

暗物質(zhì)是宇宙中看不見的物質(zhì)。

現(xiàn)在我們看到的天體，要么發(fā)光，如太陽，要么反光，如月亮，但有跡象表明，宇宙中還存在大量人們看不見的物質(zhì)。它們不發(fā)出可見光或其他電磁波，用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到。但它們能夠產(chǎn)生萬有引力，對(duì)可見的物質(zhì)產(chǎn)生作用。研究和分析表明，暗物質(zhì)在宇宙中所占份額遠(yuǎn)超目前人類可以看到的物質(zhì)。宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙25%，暗能量占70%，我們通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。

探測(cè)暗物質(zhì)有何意義

暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題。

目前，暗物質(zhì)的存在已經(jīng)被人們普遍接受。人們認(rèn)為暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星，更談不上今天的人類了。暗物質(zhì)的存在是通過天文觀測(cè)推測(cè)出來的，然而目前被廣泛認(rèn)可的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的62種基本粒子中不包含能解釋暗物質(zhì)的基本粒子，因此，探測(cè)和研究暗物質(zhì)很可能導(dǎo)致物理學(xué)界新的革命。

如何探測(cè)暗物質(zhì)

暗物質(zhì)的探測(cè)方法主要分為直接探測(cè)法和間接探測(cè)法。

所謂直接探測(cè)法是指直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的光學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)信號(hào)。由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很微弱，通常要把探測(cè)裝置安裝在地下深處。暗物質(zhì)的間接探測(cè)法主要是觀測(cè)暗物質(zhì)粒子衰變或互相作用后產(chǎn)生的正電子、反質(zhì)子、中微子等穩(wěn)定粒子。由于地球大氣的影響，在地面上無法精確測(cè)定粒子的能譜，這類實(shí)驗(yàn)必須要在空間進(jìn)行。

阿爾法磁譜儀項(xiàng)目實(shí)際上是一個(gè)大型粒子物理實(shí)驗(yàn)。暗物質(zhì)碰撞會(huì)產(chǎn)生額外的正電子，這些正電子的特征會(huì)被阿爾法磁譜儀精確地測(cè)量到。

阿爾法磁譜儀是如何制造的

阿爾法磁譜儀主結(jié)構(gòu)的主體是一個(gè)外徑1.3米、內(nèi)徑1.15米、高0.8米的空心高強(qiáng)度鋁制圓柱體。永磁體呈條狀插入主結(jié)構(gòu)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)1400高斯。主結(jié)構(gòu)由中國(guó)航天科技一院設(shè)計(jì)，磁體則由中科院電工所制造，采用的是新型高磁能積釹鐵硼材料?！鞍柗ù抛V儀1”于1998年6月隨美國(guó)“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)升空開始科學(xué)探索，但最終沒能發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)和暗物質(zhì)。此后，科學(xué)家開始研制“阿爾法磁譜儀2”。他們?cè)鴩L試用超導(dǎo)磁體代替永磁體。這種方法可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，但超導(dǎo)磁體需要液氦冷卻，太空中無法補(bǔ)充液氦，這樣磁譜儀壽命只有3年。而使用永磁體的磁譜儀的使用壽命長(zhǎng)達(dá)18年至20年，所以專家們決定沿用永磁體。

此外，“阿爾法磁譜儀2”在“阿爾法磁譜儀1”的基礎(chǔ)上增加了若干新的子探測(cè)器。

阿爾法磁譜儀是如何工作的

阿爾法磁譜儀的主要本領(lǐng)是能夠捕捉探測(cè)到太空中“流竄”的粒子。這一本領(lǐng)基于其強(qiáng)大而特殊的磁場(chǎng)。帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后軌跡會(huì)發(fā)生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子的軌跡則不會(huì)發(fā)生變化，因而觀測(cè)粒子進(jìn)入這一磁場(chǎng)后軌跡是否變化，變化程度有何不同，就可以推知這是何種粒子。

與天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)物質(zhì)發(fā)出的可見光和電磁波不同，磁譜儀直接觀測(cè)粒子本身。因而，磁譜儀能夠發(fā)現(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡無法發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)等。

中國(guó)科學(xué)家在尋找暗物質(zhì)競(jìng)賽中發(fā)揮什么作用

在尋找暗物質(zhì)的進(jìn)程中，中國(guó)科學(xué)家開始扮演越來越重要的角色。中科院高能物理研究所在此期間承擔(dān)了大量數(shù)據(jù)分析工作。此外，中國(guó)的東南大學(xué)、中山大學(xué)和山東大學(xué)以及美國(guó)麻省理工學(xué)院、德國(guó)亞琛大學(xué)、意大利和法國(guó)的科研機(jī)構(gòu)等都參與進(jìn)來。

事實(shí)上，全球科學(xué)界長(zhǎng)久以來對(duì)暗物質(zhì)的探索并不止于阿爾法磁譜儀項(xiàng)目。中科院紫金山天文臺(tái)的科研團(tuán)隊(duì)目前正與國(guó)內(nèi)同行合作，加緊研制“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”。相比阿爾法磁譜儀，中國(guó)正研制的這種衛(wèi)星耗資少，重量輕，可望在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域取得突破。上海交大以及清華大學(xué)研究人員也在國(guó)內(nèi)的地下實(shí)驗(yàn)室里孜孜不倦地進(jìn)行著相關(guān)實(shí)驗(yàn)。