在太陽系最純凈的地方捕捉“幽靈”

席金合

在美國南達(dá)科他州的大山中，有一個深達(dá)1490米的洞穴，這是世界上最深的地下科學(xué)實驗室之一，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)等科研實驗。由于洞穴足夠深，能有效避免宇宙射線、塵埃以及噪聲對實驗的干擾，研究人員自豪地宣稱，這里是地球上甚至是太陽系中最純凈的地方。

實驗室里，矗立著一個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)粒子探測器LUX-ZEPLIN（簡稱“LZ”）。它的體積比它的前身——大型地下氙氣實驗室大30倍，探測暗物質(zhì)信號的敏感度比前身高100倍。2022年7月，LZ被正式啟用。如今，一個研究團(tuán)隊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)，它們不會輻射任何電磁波，也不攜帶和傳輸任何信息，簡單地說，就是不發(fā)光也不反光，行蹤隱秘，難以捉摸。因此，人眼和儀器都無法直接感知到暗物質(zhì)，它們也被人們戲稱為“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)家長期觀測發(fā)現(xiàn)，銀河系等眾多星系圍繞中心自旋的速度非?？?。據(jù)精確計算，星系以這么快的速度旋轉(zhuǎn)，外圍的恒星就會像坐在旋轉(zhuǎn)木馬上的人一樣向外甩出去。這樣一來，整個宇宙就像散了架似的，會變?yōu)橐槐P散沙，星球之間難免發(fā)生相撞?？蓪嶋H上，所有星系好像被什么力量拉扯在一起，始終有條不紊地運行。

究竟是我們掌握的物理知識錯了，還是有一種看不見、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)家通過深入研究分析，把導(dǎo)致星系向外分離的力量稱為“暗能量”，而把維系星系正常旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”。經(jīng)過粗略估算，這兩種神秘的東西在宇宙中的占比約為95%。而暗物質(zhì)探測器的任務(wù)，就是要找到它們。

在地下深處尋找獨特的閃光

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任何物體乃至大型天體，來無影、去無蹤地在茫茫太空中隨意穿行。

科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)，宇宙中的一些類似暗物質(zhì)的已知重粒子與氙氣原子相互作用，會發(fā)出獨特的閃光。于是，科研人員在暗物質(zhì)探測器內(nèi)設(shè)置了兩個用金屬鈦鑄成的密封罐，里面裝滿10噸液態(tài)氙。之所以選擇氙液，是因為它的密度非常大，每升大約3千克，比金屬鋁的內(nèi)部還要密集，有利于抵擋粒子憑空穿過，增大與氙原子碰撞的概率。同時，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。

此外，鈦罐頂部還密布著光電倍增管、光探測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，從氙原子中被撞出來的電子會漂移到罐頂，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)一旦實現(xiàn)，將會顛覆人類對浩瀚宇宙的認(rèn)識，原來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”。

中國探測暗物質(zhì)的方法也很多

實際上，探測暗物質(zhì)的方法有很多，我國科學(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驗室，借助厚厚的巖層，隔絕來自宇宙射線的干擾，唯獨讓穿透力極強(qiáng)的暗物質(zhì)粒子穿入進(jìn)來，打在靈敏儀器的接收屏上，產(chǎn)生微弱的信號，由此觀察到它的“廬山真面目”。

2010年12月12日，中國首個最深地下科學(xué)實驗室——錦屏地下實驗室，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)志著我國擁有世界一流的潔凈低輻射研究平臺，能自主開展暗物質(zhì)探測一類的國際最前沿研究。清華大學(xué)實驗組的暗物質(zhì)探測器率先進(jìn)入實驗室，并啟動探測工作。2011年，上海交通大學(xué)等研究團(tuán)隊也陸續(xù)進(jìn)入這里，開展暗物質(zhì)探測研究。2018年6月，中國暗物質(zhì)實驗合作組利用國際首創(chuàng)的高純鍺探測系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)將暗物質(zhì)直接探測靈敏度提高到國際最高水平。

太空收集法是我國探測暗物質(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，會產(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，有望發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子。2015年12月17日，我國成功發(fā)射了“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。它作為世界上觀測范圍最廣、分辨率最佳的暗物質(zhì)探測航天器，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，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華教授研究團(tuán)隊開發(fā)出一種新型超靈敏量子精密測量技術(shù)，可用來直接搜尋暗物質(zhì)，實驗結(jié)果比先前的國際最好水平至少提升5個數(shù)量級。該項目的核心技術(shù)是他們研制的磁場量子放大器，能明顯放大磁場，從而極大地提高磁場測量靈敏度。由于暗物質(zhì)與原子核發(fā)生微弱的相互作用，會產(chǎn)生一個特別微小的磁場，利用這臺可與美國鈦罐相媲美的超靈敏儀器，如果在宇宙空間測量到磁場的話，可證明暗物質(zhì)粒子的存在。