宇宙中的暗物質粒子

錢　峰

且看宇宙是如何展示其“暗面”的：在美國明尼蘇達州北部，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識的物質粒子。明尼蘇達的這一事件是近幾個月來的所有同類事件的其中之一。研究人員認為，要么是未知粒子撞擊晶體產生頻率激增，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重得多的暗物質即將揭開其神秘的面紗。

相同的實驗將在2000年夏季展開。某地設在美國加州大學伯克利分校的一支研究小組正打算在明尼蘇達索丹礦進行名為超低溫暗物質探測的計劃。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1000米的波爾貝鹽礦或其他地下實驗室內展開，目的在于避開放射性物質及宇宙射線的干擾。研究人員將采用更大更復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，科學家們曾認為，捕獲行動即將大功告成。但經過仔細分析，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。芝加哥大學的宇宙學家米切爾·特納說：“成功地捕獲隨時都可能發生。”

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

無法在加速器里產生的暗物質粒子，組成了宇宙絕大部分質量。而在過去的兩年中，科學家們認可了第二類暗物質的候選對象，那就是一種暗能量粒子，作用就如同宇宙的發酵劑，促使宇宙——也可以說是暗物質——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。面對證據，絕大部分天文學家都無可爭辯。數十年前，他們早就注意到，就如同人類所在的那些網狀的星系旋轉得如此之快，除非有超量的物質提供超量的重力牽制，否則，它們將飛到它們的原有軌道。最好的計算結果表明，宇宙間不可見物質比可見物質至少重100倍。

對巨大星系群的研究，提供了相同的證據。正是交斥在星系之間及宇宙空間最致密的不可見物質，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也正解釋了為何星系群具有強大的引力場，致使遠距離的物體所發出的光線能產生折射現象。

多年以來，天文學家認為，在星系內的超強引力，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的尚未被人類發現的層面。但是，天文學家又把目光轉向了外星系的星球，企望在它們出現的一瞬，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之謎。20世紀90年代后期，“超致密光暈體”的研究逐漸銷聲匿跡。

暗物質之謎在理論物理學家的心目中久久不能拂去。據理論推測，所謂的暗物質至少有兩個候選者，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，重量與金屬原子相當。軸子和弱相互作用巨粒子在穿越星系暗物質云時，能隨意穿透地球，作用在普通物質上的力對它們毫無影響。

要捕捉暗物質粒子，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發生相互作用，而這正是暗物質粒子所不具備的物性。以弱相互作用巨粒子為例，每一秒時間內都有數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家諾基·科爾勃就曾說過，想像一個暗物質的候選者比找到它容易得多。

全球的研究小組一致希望，解決方法在于設計一臺分辨率極高的探測器，從無數個信號源中甄別出某個暗物質粒子，并且不受放射性物質及宇宙射線的污染。超低溫暗物質探測小組，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。羅馬大學的暗物質研究小組，正著手制作一個重達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，當有粒子穿越時，就會發出微弱的光信號。

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粒子，離徹底揭開暗物質之謎還有一段距離。暗物質始終是宇宙學上一個耗時耗力的難題，就如華盛頓大學的天文學家克雷格·霍甘所言，暗物質是一個既古老又現代的怪異的話題。