在太陽(yáng)系最純凈的地方捕捉“幽靈”

席金合

在美國(guó)南達(dá)科他州的大山中，有一個(gè)深達(dá)1490米的洞穴，這是世界上最深的地下科學(xué)實(shí)驗(yàn)室之一，主要用于中微子物理學(xué)、宇宙射線探索、地?zé)崮?、核聚變反?yīng)等科研實(shí)驗(yàn)。由于洞穴足夠深，能有效避免宇宙射線、塵埃以及噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，研究人員自豪地宣稱(chēng)，這里是地球上甚至是太陽(yáng)系中最純凈的地方。

實(shí)驗(yàn)室里，矗立著一個(gè)巨大的白色圓柱形設(shè)備，這就是世界上最大、最敏感的暗物質(zhì)粒子探測(cè)器LUX-ZEPLIN（簡(jiǎn)稱(chēng)“LZ”）。它的體積比它的前身——大型地下氙氣實(shí)驗(yàn)室大30倍，探測(cè)暗物質(zhì)信號(hào)的敏感度比前身高100倍。2022年7月，LZ被正式啟用。如今，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在用它尋找一種尚未發(fā)現(xiàn)的粒子，進(jìn)而直接找到藏匿在宇宙中的暗物質(zhì)。

科學(xué)家為何能確定暗物質(zhì)的存在

暗物質(zhì)就是暗藏在宇宙中的神秘物質(zhì)，它們不會(huì)輻射任何電磁波，也不攜帶和傳輸任何信息，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是不發(fā)光也不反光，行蹤隱秘，難以捉摸。因此，人眼和儀器都無(wú)法直接感知到暗物質(zhì)，它們也被人們戲稱(chēng)為“披著隱身衣的宇宙幽靈”。

盡管暗物質(zhì)非常隱秘，它們卻可以與我們能看到的物質(zhì)發(fā)生作用。天文學(xué)家長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，銀河系等眾多星系圍繞中心自旋的速度非?？?。據(jù)精確計(jì)算，星系以這么快的速度旋轉(zhuǎn)，外圍的恒星就會(huì)像坐在旋轉(zhuǎn)木馬上的人一樣向外甩出去。這樣一來(lái)，整個(gè)宇宙就像散了架似的，會(huì)變?yōu)橐槐P(pán)散沙，星球之間難免發(fā)生相撞。可實(shí)際上，所有星系好像被什么力量拉扯在一起，始終有條不紊地運(yùn)行。

究竟是我們掌握的物理知識(shí)錯(cuò)了，還是有一種看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)以自身引力維護(hù)著星系的正常秩序？科學(xué)家斷定是后者。

科學(xué)家通過(guò)深入研究分析，把導(dǎo)致星系向外分離的力量稱(chēng)為“暗能量”，而把維系星系正常旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱(chēng)為“暗物質(zhì)”。經(jīng)過(guò)粗略估算，這兩種神秘的東西在宇宙中的占比約為95%。而暗物質(zhì)探測(cè)器的任務(wù)，就是要找到它們。

在地下深處尋找獨(dú)特的閃光

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，暗物質(zhì)是一種特殊的中性粒子，不帶正電也不帶負(fù)電，它與普通的基本粒子幾乎不發(fā)生吸引和排斥作用，被視為“弱相互作用大質(zhì)量粒子”。因此，它能輕而易舉地穿過(guò)任何物體乃至大型天體，來(lái)無(wú)影、去無(wú)蹤地在茫茫太空中隨意穿行。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，宇宙中的一些類(lèi)似暗物質(zhì)的已知重粒子與氙氣原子相互作用，會(huì)發(fā)出獨(dú)特的閃光。于是，科研人員在暗物質(zhì)探測(cè)器內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)用金屬鈦鑄成的密封罐，里面裝滿(mǎn)10噸液態(tài)氙。之所以選擇氙液，是因?yàn)樗拿芏确浅４螅可蠹s3千克，比金屬鋁的內(nèi)部還要密集，有利于抵擋粒子憑空穿過(guò)，增大與氙原子碰撞的概率。同時(shí)，為了讓氙原子“靜候”等待碰撞，鈦罐內(nèi)的溫度必須保持-100℃以下，以減少氙原子的自由振動(dòng)。

此外，鈦罐頂部還密布著光電倍增管、光探測(cè)器和光放大器等靈敏的儀器，用于將粒子碰撞所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成閃光，并加以放大，讓人的肉眼能看到。

當(dāng)來(lái)自宇宙的那些穿透能力極強(qiáng)的重粒子，突破厚厚的地層進(jìn)入鈦罐與氙原子發(fā)生碰撞時(shí)，從氙原子中被撞出來(lái)的電子會(huì)漂移到罐頂，與那里的光電倍增管等儀器發(fā)生一系列復(fù)雜作用，讓人看到奇特而美麗的閃光。由于與氙原子發(fā)生碰撞的重粒子不同，出現(xiàn)的閃光也不同。因此，科學(xué)家可以根據(jù)這種閃光的特征，利用排除法，推知來(lái)自宇宙的某種神秘的重粒子是不是暗物質(zhì)。

這一目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn)，將會(huì)顛覆人類(lèi)對(duì)浩瀚宇宙的認(rèn)識(shí)，原來(lái)在我們頭頂上的不光是通常所看到的日月星辰，宇宙的絕大多數(shù)成員居然一直詭秘地與我們“捉迷藏”。

中國(guó)探測(cè)暗物質(zhì)的方法也很多

實(shí)際上，探測(cè)暗物質(zhì)的方法有很多，我國(guó)科學(xué)家早前就摸索出了好幾種做法。由于暗物質(zhì)的穿透力極強(qiáng)，可在幾千米深的坑洞建立實(shí)驗(yàn)室，借助厚厚的巖層，隔絕來(lái)自宇宙射線的干擾，唯獨(dú)讓穿透力極強(qiáng)的暗物質(zhì)粒子穿入進(jìn)來(lái)，打在靈敏儀器的接收屏上，產(chǎn)生微弱的信號(hào)，由此觀察到它的“廬山真面目”。

2010年12月12日，中國(guó)首個(gè)最深地下科學(xué)實(shí)驗(yàn)室——錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，在四川雅礱江錦屏水電站揭牌，正式投入使用。這座隔絕性良好的地下暗物質(zhì)捕捉場(chǎng)所，巖石覆蓋厚度達(dá)2400米，位居世界之首。它的建成標(biāo)志著我國(guó)擁有世界一流的潔凈低輻射研究平臺(tái)，能自主開(kāi)展暗物質(zhì)探測(cè)一類(lèi)的國(guó)際最前沿研究。清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)組的暗物質(zhì)探測(cè)器率先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，并啟動(dòng)探測(cè)工作。2011年，上海交通大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)也陸續(xù)進(jìn)入這里，開(kāi)展暗物質(zhì)探測(cè)研究。2018年6月，中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組利用國(guó)際首創(chuàng)的高純鍺探測(cè)系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)將暗物質(zhì)直接探測(cè)靈敏度提高到國(guó)際最高水平。

太空收集法是我國(guó)探測(cè)暗物質(zhì)的又一重要手段。分布在宇宙中的暗物質(zhì)粒子在相互碰撞湮滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生我們熟知的電子、質(zhì)子、中子、光子等粒子流，也就是各種射線。因此，利用衛(wèi)星和空間站搭載的儀器收集這些粒子流的信號(hào)，有望發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子。2015年12月17日，我國(guó)成功發(fā)射了“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。它作為世界上觀測(cè)范圍最廣、分辨率最佳的暗物質(zhì)探測(cè)航天器，周而復(fù)始地在大氣層外繞地飛行，幾乎不受大氣和地磁的干擾，在近似真空的近地太空中，忙碌地搜尋暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

更令人欣喜的是，2021年11月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型超靈敏量子精密測(cè)量技術(shù)，可用來(lái)直接搜尋暗物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比先前的國(guó)際最好水平至少提升5個(gè)數(shù)量級(jí)。該項(xiàng)目的核心技術(shù)是他們研制的磁場(chǎng)量子放大器，能明顯放大磁場(chǎng)，從而極大地提高磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度。由于暗物質(zhì)與原子核發(fā)生微弱的相互作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特別微小的磁場(chǎng)，利用這臺(tái)可與美國(guó)鈦罐相媲美的超靈敏儀器，如果在宇宙空間測(cè)量到磁場(chǎng)的話，可證明暗物質(zhì)粒子的存在。