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数百亿美元的对撞机,也永远找不到暗物质?

2017-09-05 09:04:11 作者:环球科学ScientificAmerican 关注:huanqiukexue 神评论


撰文 | Joseph Silk

翻译 | 赵昌昊

编辑 | 吴非




探测暗物质


对于天文学家来说,暗物质与恒星、行星一样,都是真实存在的物质。天文学家可以绘制暗物质分布图,把一个个星系视为由“发光”的普通物质点缀着的暗物质云团。借用暗物质,科学家还成功地解释了宇宙结构是如何形成和演化的。然而,经过10多年的搜索,我们至今仍然没能直接探测到暗物质。我们被笼罩在暗物质的云团中,却不知宇宙的暗面究竟为何物。


科学家早已确信,暗物质不是我们所熟知的任何一种普通物体或粒子。目前,理论研究倾向于认为暗物质由一种新粒子构成,这种粒子与普通粒子之间存在弱相互作用。大量暗物质粒子会在宇宙空间中穿行,甚至能够穿透地球,因此我们有理由相信,总有一些暗物质粒子会在我们身边留下踪迹。物理学家将晶体放置在低温探测器中,深埋于地下以便屏蔽掉普通粒子带来的噪声,静静等待探测器中的能量和闪光信号。这些信号将会暴露那些神秘的未知粒子的行踪,然而截至目前,研究人员仍然一无所获。在美国南达科他州利德市,大型地下氙探测器(Large Underground Xenon experiment, LUX)位于地下1.6千米深的一座废弃金矿中,该装置目前尚未得到任何探测结果。中国锦屏地下实验室的“熊猫计划”(PandaX)位于2.4千米厚的岩石之下,它也尚未探测到暗物质。在法国阿尔卑斯山下的弗雷瑞斯公路隧道中,EDELWEISS暗物质探测装置位于地下1.7千米深处,同样没有任何结果。世界上还有其他一些暗物质探测实验,均毫无收获。


各项实验都没有得到结果,这使得暗物质所能够存在的参数区间越来越小。面对实验结果的荒原,理论物理学家假想了一些性质更加奇特的粒子,但这些粒子大部分都更难探测。在实验上,我们还可以尝试用粒子对撞机来制造暗物质,通过探测粒子的总能量是否呈现表观上的减少,来判断碰撞中是否有暗物质产生。欧洲核子中心的大型强子对撞机做了这项实验,但尚未发现暗物质的踪迹。一些理论物理学家怀疑,也许暗物质根本就不存在,而是目前的引力理论,即爱因斯坦的广义相对论,误导了我们。根据广义相对论,如果星系中仅仅包含可见的普通物质,那么其所产生的万有引力将不足以维持星系的形态,星系中的物质会飞散到宇宙空间中去。诚然,广义相对论可能有漏洞,但目前为止,它经受了所有的实验检验,而能够挑战广义相对论的理论则总是看上去包含有致命的缺陷。


目前,宇宙中85%的物质仍是人类未知的。更可怕的是,我们或许永远都解不开这个谜题。



争议结果


尽管大多数暗物质探测装置都没有得到任何结果,但有两个实验却声称发现了暗物质。这两个与众不同的实验结果均有争议,很有可能是错的,但也值得我们仔细审视。


意大利格兰萨索(Gran Sasso)国家实验室的DAMA/LIBRA粒子探测器位于山体之下1.4千米深的隧道中,用于探测暗物质粒子与碘化钠晶体中的原子核碰撞、散射之后发出的闪光。它已经运转了超过13年,其间观测到了一个特别的现象:探测器的粒子计数率随着季节变化而周期性地起伏,每年6月达到最大值,12月最小。


而暗物质探测恰恰应该呈现出这种季节周期性。根据目前的推断,暗物质云团包裹着整个银河系,而我们的太阳系围绕着银河系的中心旋转,正在穿过暗物质云团。同时,地球又在围绕着太阳公转,因此地球相对于暗物质云团的运动速度就会以1年为周期振荡变化,这也就决定了暗物质粒子穿过地球上探测器的计数率,恰恰就是在6月达到最大,12月最小。


DAMA所探测到的粒子计数率的季节性变化确实呈现出很强的统计显著性,但能够导致计数率周期性变化的因素并不仅仅有暗物质粒子。地下水的流量同样有着季节性周期变化,其中携带的放射性元素会影响探测器的背景噪声。其他宇宙粒子,例如μ子,在大气层中所产生的辐射也会呈周期性变化。此外,世界上另外5个实验得出的暗物质参数区间与DAMA的结果不一致。不过,要想得到准确可靠的结论,最好的办法是在其他地方用同种探测器复制DAMA的实验。目前,几处同样的实验装置正在建设当中,其中一个位于南极,那里自然环境的季节性变化与意大利正好相反,比较之下或许能够得出有价值的结论。


关于暗物质的另一条线索来自一个间接实验结果。意大利与俄罗斯联合发射的人造地球卫星PAMELA原本是用于探测物质与反物质碰撞湮灭后产生的二级粒子,并非探测暗物质,但它在2008年意外地观测到宇宙深处发射出大量的正电子(电子的反粒子)。近期,这个观测结果得到了国际空间站上阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS)的支持。另外,美国国家航空航天局的费米卫星(Fermi satellite)观测到银河系中心发出一束扩展宽度达到20度伽马射线。伽马射线束关于星系中心呈球对称分布,越靠近中心强度越强,这种分布刚好与暗物质理论的预期一致。


这项实验看上去似乎已经找到暗物质了。然而,上述正电子和伽马射线可能都是毫秒脉冲星导致的,这是一种快速旋转的中子星。其实,正电子本身就与可能的暗物质候选模型的特征不吻合。要想确定这些正电子究竟来自于哪种物质,我们需要检查正电子是否来自于某个已知的中子星的方向。至于那些伽马射线,它们所表现出的涨落也更像是银河系中心的某些尚未识别的微弱的中子星信号。而且,如果伽马射线确实是来自于暗物质,那么我们应该能够在附近的小型矮星系中观测到相似的信号,因为这些矮星系应该相应地包含更多暗物质。可惜,我们至今仍未发现相关的证据。



更多候选粒子


当前,人类对于暗物质的搜索,主要集中在一种最简单的候选粒子,即弱相互作用大质量粒子(weakly interacting massive particles, WIMP)。这个“弱”有两层含义,一方面指这种相互作用的强度非常微弱,另一方面也指这种粒子与普通物质之间只存在弱核力相互作用。弱相互作用大质量粒子,是粒子物理标准模型的自然扩展。即便不了解更多的细节,一个“弱”字所包含的信息也足以供物理学家计算出宇宙中有多少这种粒子。在宇宙大爆炸所产生的高温原初物质中,粒子不断地产生和湮灭。宇宙逐渐膨胀,物质的温度随之下降,不同种类的粒子也陆续停止生成,而具体何时停止,取决于粒子的质量。另一方面,粒子还在不断的碰撞中被破坏,碰撞破坏的速率,则取决于粒子之间相互作用的强度。这种破坏持续进行,直到粒子在宇宙中弥散开来,无法再频繁地发生碰撞。


于是,只要给定WIMP的相互作用强度,再加上一些数学运算,我们就可以计算出早期宇宙的“热汤”中所含有的WIMP的数量,这个结果与当今所观测到的暗物质的总量一致。计算结果还表明,WIMP的质量应该是质子质量的数百倍。总的来说,WIMP的性质刚好处于一个最优点。如此良好的性质,被人们称为“WIMP奇迹”。


然而,理想很丰满,现实却很骨感。在经历了无数失败的实验之后,物理学家走投无路,不得不拾起那些曾经被认为不靠谱的理论。


一种可能的情况是,暗物质粒子比之前预料的要重得多。这里包含了一层简单的逻辑:单个粒子越重,那么为了凑足天文观测中推算出的暗物质质量,所需要的暗物质粒子就越少,而正是因为暗物质粒子太少,人类的探测器才没能捕捉到它们。如果情况果真如此,那么物理学家就要尝试用完全不同的方式来搜索暗物质粒子了,比如通过暗物质粒子对暮年中子星或其他天体的影响,来寻找暗物质的踪迹。


另一种可能的情况恰恰相反:暗物质粒子可能太轻了,以至于无法在探测器中留下痕迹。这时,物理学家可以借用太阳这个天然的探测器。太阳在银河系中穿行,扫过暗物质粒子。这些暗物质粒子与太阳中的质子发生散射,会改变太阳的温度分布,从而影响太阳表层气体起伏涨落的湍流运动。我们可以对太阳进行日震学观测。与地震学类似,日震学是一门研究太阳内部扰动的传播以及对太阳表面影响的学科。观测结果表明,太阳中存在某种反常的日震活动,无法用目前的标准太阳模型解释。


如果暗物质粒子能够在太阳内部聚集,那么它们也有可能在日核处湮灭,产生高能中微子。日本的超级神冈中微子探测装置,以及南极的“冰立方”天文台都有能力观测到这样的中微子,但目前二者都尚未报告相关的事件。


超轻暗物质粒子的极端情况是一种被称为“轴子”的假想粒子。它与普通物质间有弱相互作用,质量不到质子的万亿分之一,但并非绝对地“暗”:轴子与普通物质也有电磁相互作用,在强磁场腔中会产生微波光子。自从20世纪80年代,就有实验装置开始探测轴子,但同WIMP探测器一样,几乎颗粒无收。


也许,暗物质粒子根本就不是粒子,而是一种“非粒子”(unparticle)。非粒子是由一位理论物理学家提出的概念,它与电磁场有一点亲缘关系,但不是一份份分立的能量。我们有可能在粒子对撞机的实验数据中找到非粒子存在的间接证据。还有一种可能,暗物质并不只有单一的组分,毕竟普通物质就包含多种不同的粒子。暗物质可能由几种不同的粒子组成,这会使得搜寻暗物质的工作更加困难,因为我们的探测目标更加不确定。最坏的可能性则是,除了万有引力以外,暗物质粒子根本不与普通物质发生相互作用。果真如此的话,实验物理学家恐怕是永无翻身之日了。



暗物质永不见天日?


换个角度讲,其实我们现在也恰恰是处在时代的转折点。所谓推陈出新,不破不立,我们或许应该尝试寻找某种全新的暗物质粒子,也可以尝试建立一种全新的引力理论,从而完全抛弃暗物质的概念。这样的机遇,正是多少科学家都梦寐以求的。


但是,大自然完全有可能把新物理藏到了人类触不可及的某个角落。在寻找WIMP方面,尽管人类还没有打光所有的子弹,但能够挽回败局的机会已经不多了。升级改造之后,新的探测器总是能够对WIMP更加敏感,但同时也对无关的噪声粒子更敏感,总有一天,我们将无法区分两者。如果人类始终不能探测到WIMP的话,按照目前的发展速度,10年之内,WIMP可能存在的参数区间就将逼近中微子,届时,我们的探测器根本无法将WIMP与太阳中微子、大气中微子这些背景噪声区分开来。


太阳本身就是一个天然的暗物质探测器。穿过太阳的暗物质粒子可能会影响太阳的内部结构,天文学家便可以通过观测太阳表面的振荡来推测暗物质的信息。上面这张图片显示的就是太阳表面起伏振荡的情况,蓝色和红色的区域分别是振动的峰与谷。(图片来源:AURA/NSO/National Science Foundation)


不过,我们还可以用间接方式探测暗物质。位于智利和西班牙拉帕尔马岛的切伦科夫望远镜阵列(Cherenkov Telescope Array)有望扛起下一代暗物质探测的大旗。它由超过100个望远镜构成,探测目标之一便是银河系以及其他星系中的暗物质湮灭后产生的伽马射线。问题是,这种探测方式成本高昂。目前,暗物质探测器相比于其他大型物理实验装置,造价可以称得上低廉;但是如果探测器的规模、灵敏度、复杂度不断提升,那它很有可能会像大型强子对撞机(造价近70亿美元)、詹姆斯·韦伯太空望远镜(造价约80亿美元)一样烧钱。更何况,暗物质探测实验有可能得不到任何结果,那我们又要怎样说服政治家为它买单呢?


寻找暗物质粒子,最强大的工具应该是新的粒子对撞机。未来三十年,物理学家计划建造一台能量是大型强子对撞机7倍的粒子对撞机,中国和欧洲目前正在进行相关研究。如果只是简单地增大对撞机的规模的话,按照当前的货币计算,它将花费约250亿美元。如果这笔资金由多个国家共同承担,并且在几十年间陆续投入,那么这样的超级对撞机或许有可能建成,但它也是人类最后的王牌了。就算未来物理学家能够获得更多的资源来建造能量更高的对撞机,也无法再撞出什么新物理。因为,对撞的能量越高,其所能够产生粒子质量也就越大,但宇宙大爆炸其实不可能生产出数量足够多的更重的粒子。


就算我们穷尽所有的努力,仍然有可能找不到暗物质,现实可能就是这么残酷。也许世上本没有暗物质,我们应该努力寻找的,是某种超越广义相对论的理论,但这条路目前也尚未走通。事实上,2016年人类首次探测到黑洞双星系统产生的引力波,反而进一步证实了爱因斯坦的引力理论及其推论——暗物质应该存在。


不过,凡事总有其积极的一面。宇宙的暗面或许隐藏着某种神秘的启示,至少我们应该去探索,才有可能窥见其样貌。现在,我们继续踏上寻找新粒子征途。除了毅然前行,我们别无选择。


原文链接:

http://nautil.us/issue/51/limits/will-we-ever-know-what-dark-matter-is


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