暗物质

中国科学院紫金山天文台研究员黄晓渊与清华大学、北京大学合作，提出利用射电望远镜直接寻找暗光子暗物质的新方法。5月2日，相关研究成果以《利用射电望远镜直接探测暗光子暗物质》（Direct detection of dark photon dark matter using radio telescopes）为题，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。该论文被列为物理学特别推荐（Featured in Physics），并得到美国物理学会（APS）的推荐报道。 　　暗物质是一种在天文观测中被发现的物质，具有引力作用但不发光，占据宇宙总能量的27%。关于暗物质的粒子物理性质的研究是当前粒子物理和宇宙学最重要的研究课题之一。超轻暗光子作为暗物质的候选者越来越被物理学家重视。 　　20世纪60年代初，彭齐亚斯和威尔逊在进行射电天文学研究时意外发现了一个低水平的背景噪音。后来，这个噪音被证实是宇宙微波背景辐射，是早期灼热宇宙膨胀的重要证据之一。超轻暗光子通过与光子的动力学混合，呈现出类似光子的电磁相互作用。作为弥散在宇宙中的暗物质的候选者，超轻暗光子暗物质可表现出类似于宇宙微波背景辐射的行为。如果现代射电望远镜仔细聆听，可能会听到来自黑暗世界微妙的声音。 　　暗光子暗物质可以在地面上的射电望远镜的反射板或偶极天线上引起电子振荡，从而在望远镜的探测器上产生单频射电信号，其辐射频率与暗光子质量根据质能方程转换得到的特征频率相同。利用我国500米口径球面射电望远镜（中国天眼，FAST）的观测数据，黄晓渊与合作者在1-1.5GHz寻找暗光子暗物质产生的信号，给出了这个频率范围内对暗光子暗物质的最强实验限制。已有的低频阵列射电望远镜（LOFAR）、在建的平方千米阵列射电望远镜（SKA）以及未来FAST望远镜将能够达到更高的灵敏度，有发现此类暗物质的潜力。 　　研究工作得到国家自然科学基金、科技部、中国科学院、江苏省、清华大学、北京大学等的支持。 （左）暗光子暗物质在FAST镜面上转化成普通光子的示意图；（右）本文结果对暗光子暗物质的限制（图中标注“FAST”部分）。相关成果已被暗光子综述网站收录。

&ldquo 中国锦屏地下实验室&rdquo 示意图 　　这个世界，还有很多未解之谜。宇宙中，人类可见可知的物质成分只占4%左右，还有27%左右是未见未知的暗物质，另外七成左右则是同样神秘的暗能量。昨天，中国科学家主导的大型暗物质探测&ldquo 熊猫计划（PandaX）&rdquo 实验组，在上海交大发表了立项4年来的首批物理数据。这项在四川2000多米深洞中开展的实验，目前尚未找到暗物质的任何踪影，同时对之前国际上发现的疑似暗物质信号提出质疑。人们不禁要问，地球上真有暗物质吗？ 　　每秒上亿暗原子穿身而过 　　长期以来，全世界的物理和天文学家通过大量天文观测，推断出宇宙中暗物质的成分占比极大，它们与普通物质一样具有质量，却与普通物质不发生电磁作用和强相互作用。因此，暗物质可以在普通物质中穿梭来往，几无阻拦。在人类所在的银河系，暗物质更是比普通物质多20倍以上。可以说，地球以及太阳系在整个银河系暗物质的&ldquo 雾霾&rdquo 中运动，暗物质随时都在轻易地穿越地球和太阳。 　　近年来，人类在发现&ldquo 上帝粒子&rdquo 过程中运用了高能粒子对撞机制，在稍纵即逝的撞击&ldquo 火花&rdquo 中，捕捉最后一种未被实验证明的粒子。然而，这种&ldquo 上帝粒子&rdquo 配上了诺奖，人们建立的粒子物理标准模型也已完备，却仍无法作出对暗物质粒子的解释。 　　本世纪以来，国际上相继开展了20多个暗物质探测实验，也就是期待暗物质的&ldquo 暗原子&rdquo 把探测器中的&ldquo 靶原子&rdquo 撞飞。项目负责人、上海交大物理和天文系季向东教授用&ldquo 守株待兔&rdquo 来形容实验&mdash &mdash 他解释称，事实上每秒钟大约有上亿个暗物质原子穿透我们的身体，但人体内的原子数量达1亿亿亿个，也就是10的23到24次方，因此一天中体内某个原子被撞到的概率不足一次。更何况，暗物质穿身而过的速度达每秒220公里左右。 　　实验尚未发现暗物质信号 　　即使暗物质与物质的原子撞到了，也只产生极其微弱的光电信号，且必须被及时探测并捕获。而在地面上，看不见、摸不着的各种宇宙射线，对这样的&ldquo 暗物质捕手&rdquo 造成极大的背景辐射干扰。为屏蔽繁杂的粒子撞击信号，实验不得不深入地下。 　　&ldquo 熊猫计划&rdquo 实验正是在世界最深的四川锦屏山地下实验室进行的。这一实验场所由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司于2010年联合开发，在隧道工程建设中利用了一个约2400米深的人工井。山洞上方被深厚岩石层所覆盖，阻挡外界信号。 　　PandaX是&ldquo 粒子和天体物理氙探测器&rdquo 的英文简写，以惰性元素氙（Xe）作为探测媒介。实验由上海交大牵头组织，合作组包括中美6家研究机构和大学在内，首期使用了约120公斤的液态氙作为&ldquo 靶子&rdquo 。在今年5月开始的暗物质探测数据中，探测器记录了约400万个粒子撞击事例，在暗物质可能产生的&ldquo 能量区&rdquo 大约有1万个事例，而在探测器最&ldquo 安静&rdquo 的中心&mdash &mdash 37公斤液氙中只有46个事例。通过与放射源的定标比较，这最后的46个事例全部来自放射性本底，没有暗物质留下的痕迹。 　　季向东分析认为，120公斤级液氙探测器的灵敏度已达世界先进水平，能对至今为止所有暗物质探测实验获得的疑似数据信号进行高精度验证。从现在的测量结果看，近几年意大利、美国、德国等国开展的4项实验，发现的均为疑似轻质量暗物质信号，而人类最可能发现暗物质的&ldquo 能量区&rdquo 应是实验还未涉及的重质量信号区。 　　世界最大探测器明年建成 　　&ldquo 熊猫计划&rdquo 是中国开展的首个百公斤级大型暗物质实验，而更大能级的实验才可能捕获真正有价值的暗物质线索。据了解，实验成功的关键在于近十年来发展极为迅速的液氙探测技术。欧美在这项技术上正在加大投入，比如世界上处于运行状态的最大液氙探测器就是美国250公斤级的LUX探测器，它位于美国南达科他州地下矿井中，而我国实验的探测规模仅次于它。 　　在首次排除较轻质量的疑似暗物质信号后，&ldquo 熊猫计划&rdquo PandaX正在建造一个500公斤液态氙的探测器，计划明年建成，届时&ldquo 半吨级&rdquo 实验将是世界最大规模。其灵敏度可比现有装置放大20倍左右，并可进入重质量暗物质信号区进行搜索，覆盖这一&ldquo 能量区&rdquo 的一半面积。季向东表示，随着能级提升，&ldquo 熊猫计划&rdquo 有望找到理论预言的、较重质量的一类暗物质粒子，将人类对宇宙万物的认识进一步推向深入。

身在波尔比钾盐矿的肖恩帕林和尼尔罗利博士。钾盐矿地下深处就是一座科学实验室。矿井的地道又高又宽，足以并排摆放两辆路虎汽车。 天体粒子物理学家帕维尔马耶夫斯基走进被塑料布包裹的ZEPLIN-III探测器 波尔比钾盐矿位于约克郡荒野北部边缘地带，实验室座落于地下0.68英里(约合1.09公里)处 　　北京时间1月25日消息，一组天体粒子物理学家正在位于英国约克郡地下超过半英里(约合804米)的实验室搜寻暗物质。暗物质非常神秘，一直就是最大的宇宙谜团之一，即使参加这项实验的科学家也不确定暗物质是否真实存在或者最终能否发现这种物质。3月，实验结果将浮出水面，如果如愿以偿地发现暗物质，这一发现将彻底改变科学界的面貌。 　　实验室位于地下深处 　　搭乘一个漆黑一片的狭窄贯笼，感受气流在身边迅速穿过，经过6分半的下降之旅，你便来到这个地下实验室。实验室最深处与地面的距离超过0.5英里，位于北约克郡荒野地下，温度达到40摄氏度。如果出现任何差错，你将困在充满水的岩层下方，深度达到33名智利矿工被困矿井的两倍。庆幸的是，这些矿工最终成功获救。 　　当然了，在冬季的早晨，搭乘贯笼进入波尔比钾盐矿的科学家并没有这种担忧。如果有此担忧，他们无疑选错了地方。为了成功完成寻找和研究暗物质的这项工作，他们只能进入地下深处，防止遭到轰击地球表面的宇宙射线和辐射的影响。 　　他们身穿橙色连体工装，佩戴护胫，脚蹬安全靴，头戴安全帽，帽子上装有照明灯，身上还绑着一条大带子，同时配备必需的自救设备 (紧急呼吸器)。虽然从装扮上看，他们与矿工并无差异，实际上，他们的真实身份是物理学家，进入矿井的目的并不是为了寻找这座矿井的主产品——钾盐和岩盐，而是寻找更为难于捉摸的暗物质。迄今为止，还没有人证明暗物质真实存在。 　　在矿井的底部，矿工朝着一个方向——朝向矿井一面——前进，科学家则朝着另一个方向前进，穿过一条长地道向地下前进。矿井的这部分呈蜂窝结构，地道的总长度超过600英里(约合965公里)。只要不想到上方的岩石和水，你不会得幽闭恐怖症。地道内又高有宽，可并排容纳两辆路虎汽车。据一名煤矿矿工透露，由于地道主要是在岩盐矿脉中挖掘，封闭的速度较为缓慢。这里的温度较为适度，矿井内的盐就在嘴边，呼吸的空气能够感觉到盐的气息。 　　两个主实验室 　　科学家爬进一辆使用柴油机的路虎，其在制造上能够在地下使用时保证消防安全。在前行了800码(约合731米)后，他们将车停在旁边的一个小地道内。这条地道通往一个采用胶合板结构的简易交流区。来自上方的压力导致这里开始出现裂缝，现正等待重建。 　　在交流区暂作休息，喝一杯咖啡之后，他们沿着一条狭窄的通道继续向下前进，进入一个更衣区。在这里，他们换上干净的靴子和帽子，穿上一次性拉链式白色连体工装。地下实验室一定要保持洁净，这也就是为什么他们在进入前就换上干净的工作服。此外，他们还要穿过一个封闭的真空吸尘装置，吸掉身上的每一粒尘土。形象地说，就如同洗了一个澡。完成这些准备工作之后，他们才可以进入实验室。 　　这个地下实验室并不起眼，长300英尺(约合91米)，墙壁采用紫红色防火涂料，看上去有点恐怖。顶部是滑行装置，用于两吨重的起重机运送重型设备，墙边摆着大量测量设备、电脑显示器、表盘、电线和仪表。中央是两个主实验仪器，表面上体现不出它们的重要性。它们将帮助科学家揭开宇宙的一个最大谜团。 　　其中一个实验仪器主要由一个巨大的盒子构成，体积70立方英尺(约合2立方米)，外面包裹着难看的透明聚丙烯塑料布，看起来似乎是最近才运到实验室的，上没来得及拆封。另一个实验设备也是一个立方体，现已被大卸八块，来自加利福尼亚州的一名教授正对其进行维修。这个设备由一系列框架构成，好似一个鸡蛋切片机，它的电线很细，细到让人不敢近距离观察，唯恐一不小心摔倒，压坏这个造价数千英镑的设备。 　　这两个实验仪器一个是暗物质探测器，被称之为“ZEPLIN-III”，另一个是暗物质望远镜，被称之为“DRIFT-II”，它们均在与时间赛跑，寻找在宇宙中占据重要位置的暗物质。科学家认为暗物质在宇宙的比重高达80%以上。　 进气系统，确保超纯氙气供应 研究小组在临时餐室暂作停留，而后穿上工作服进入实验室 矿用卡车搭载液态氮，开往实验室 　　可能一无所获 　　在科学界，寻找暗物质是众多物理学家为之奋斗的目标，发现者的名字将被永远载入史册，与牛顿和爱因斯坦齐名。但令人感到备受挫折的是，这种物质非常神秘，参与这一项目的科学家中没有一个人确切知道暗物质是否真实存在。 　　欧洲核子研究组织耗资60亿英镑(约合96亿美元)的大型强子对撞机座落于瑞士，寻找暗物质也是这一庞大项目的目标之一。此外，美国和欧洲的其他一系列项目也将寻找暗物质作为一个重要目标。英国此次寻找暗物质的努力一年的费用不到100万英镑(约合160万美元)。 　　加利福尼亚州教授斯诺登伊夫特从洛杉矶的西方学院飞到英国，进入地下实验室修理暗物质望远镜。他表示：“我真的不知道我正在寻找的这种粒子是否真实存在。我们可能只是白费心机，根本找不到暗物质。” 　　如何成功发现暗物质呢?ZEPLIN-III项目负责人、伦敦帝国学院讲师亨里克阿劳霍博士表示：“如果能够发现暗物质，我们将最终解答物理学上的一个重大疑问。”伊夫特教授脸上的笑容告诉我们，寻找暗物质的努力最终徒劳无功的可能性并不像他开玩笑时说的那么小。在他眼里，这是一个最令人兴奋的科学研究领域。对于此次寻找暗物质的尝试，公众最关心的莫过于结果——究竟是如愿以偿地发现暗物质还是发现其他物质。 　　他说：“在发明荧光灯之前，没有人知道发现等离子体发出的光线意味着什么。在创立量子力学理论时，科学家最初认为这是一项完全无用的理论。但突然间，他们发现全世界的每一台电脑都立基于这一理论。”在这个地下实验室，伊夫特用外行人能够听得懂的话解释寻找暗物质的重要性。他说：“虽然发现这种物质的可能性很小，但发现的意义非常重大，要知道，暗物质在宇宙质量中的比重高达85%。” 　　质量失踪问题 　　我们已经知道其他15%由什么物质构成。我们的身体、我们的家、我们的行星，所有我们能够看到和触摸到的一切都由普通物质构成。物质是引力之源，由原子构成，电子绕着原子核运动，产生一个电磁场。在浩瀚的宇宙，在恒星之间漆黑一片的空间，可能还存在另一种物质——暗物质。不仅仅在太空，地球上也可能存在暗物质，虽然数量较少，在阅读这段文字时，每秒将有100万暗物质粒子穿过你的小指。之所以被称之为暗物质是因为这种物质不会发射光线同时也不可见。暗物质没有电磁场，这也就意味着几乎无法借助任何常规科学测量设备探测到它们的存在。 　　我们何时发现可能存在暗物质?直到上世纪30年代，还没有人得出这一发现。1933年，加州理工学院的瑞士天文学家弗里兹扎维奇提出了一项非常引人注目的暗物质存在理论。但几十年来，很少有科学家相信暗物质存在的可能性。 　　扎维奇提出的谜题必须通过研究星系质量加以解答。星系质量计算通常采用两种方式，一种是测量星系的旋转速度，星系旋转速度越快，所拥有的质量越大 另一种是根据星系的亮度进行估计，也就是估计星系的恒星数量。在对后发座星系团进行研究时，扎维奇发现了奇怪的现象。他利用维里定理计算后发座星系团的真实质量，所得出的质量却是视觉观测下的大约400倍。这种现象被称之为“质量失踪问题”。 　　什么物质导致如此巨大的差异?答案可能就是暗物质。直到上世纪70年代，扎维奇的理论才得到证实。当时，年轻的美国天文学家维拉鲁宾利用其对螺旋星系旋转速度的观测数据得出同样的结论。我们能够观察到的星系区域——明亮区——所拥有的质量似乎只占星系总质量很少的一部分，余下的质量一定存在于我们无法观察到的暗区。 分析暗物质探测器获取的数据 谢菲尔德大学的马克派普为DRIFT-II探测器实施“手术”。这个探测器是世界上最灵敏的暗物质望远镜 液态氮用于冷却ZEPLIN-III探测器中的“靶子” 　　费用政府买单 　　此次科学竞赛旨在率先发现暗物质的存在。35年来，没有一个人成功做到这一点，这项任务难度之大我们可想而知。伊夫特表示：“全世界大约有300位科学家一直在搜寻暗物质，这是一项非常艰巨的任务。参与这项工作的人就像着了魔一样研制探测设备，探测自己认为中的暗物质。但这种探测具有极大的不确定性，可能一无所获。” 　　在难于进入的地下深处进行暗物质研究是一个最基本的要求，这种要求也提高了搜寻暗物质的难度。阿劳霍指出，科学家在矿井内进行研究并不会遭遇危险或者患上幽闭恐惧症，真正让他们感受头疼的是地下研究并不十分便利。他说：“第一周，所有人都喜欢这里，恐惧心理很快烟消云散。但便利性仍旧是一大挑战。” 　　首先，进入矿井并非易事。科学家要沿着一条沿岸环路驶往怀特比北部地区，有时还会遭遇降雪，而后花一两个小时佩戴各种装备，下降到矿井，随后还要换装，最后进入实验室。这里的工作环境十分恶劣。空气中的盐可能让电气设备陷入混乱，任何体积超过70立方英尺(约合2立方米)的设备都无法借助起重机运进矿井。由于搜寻暗物质项目本身的特殊性，所进行的实验在几个月甚至最后结束时可能不会得出任何令人兴奋的发现。 　　虽然一些工作可以借助计算机远程完成，但设备的维护和修理工作还是要亲历亲为，这是不可避免的。除了校准机械装置和检查是否出现生锈、破损和裂缝外，工作人员还要定期使用300升液态氮保持ZEPLIN-III内的氙气处于液态。氙气从俄罗斯进口，每公斤1万英镑(约合1.6万美元)。实验室每年的运营成本为30万英镑(约合48万美元)，主要是工作人员的工资、电费和设备维护费用，由英国政府买单。 　　灵敏度就是一切 　　对于暗物质到底是什么，科学家意见不一。一些科学家认为，暗物质可能是由晕族大质量致密天体构成，这种物质可能来自于黑洞。上世纪70年代，意大利科学家指出暗物质可能由axions粒子构成，axions以一种洗衣粉的名字命名。也有人认为，存在暗物质不过是一种幻想，星系出现“质量失踪问题”的真正原因只能说明牛顿物理学定律存在缺陷。 　　当前有关暗物质的最流行理论是，这种物质由大质量弱相互作用粒子(WIMPs)构成。之所以取这个名字是因为暗物质据信会与正常物质发生反应，但这种情况非常罕见。世界各地的大量实验都围绕这一理论展开，波尔比矿井内进行的实验便是其中最为先进的一个。阿劳霍表示：“这是一项竞争激烈的竞赛，我们是有望获取胜利的主要选手之一。” 　　如果按照国际标准，这座地下实验室是使用零星资金建造的，虽然事实如此，但阿劳霍和他的国际粒子物理学家小组——来自伦敦、迪高特、爱丁堡、葡萄牙和莫斯科的研究实验室——却操作着世界上最为灵敏的探测设备。在这场寻找暗物质的竞赛中，灵敏度就是一切。 　　阿劳霍解释说：“在6个月的实验中，我们预计自己的实验只能探测到少量暗物质事件。但在相同的时间内，我们却可以探测到数百万次背景辐射事件，来自于探测设备和实验室墙壁的痕量放射能，来自于能够穿透到这一地下深度的少量宇宙射线。毫无疑问，探测设备的灵敏度越高，所能消除的背景噪音越多，也就越有可能发现暗物质。” 　　这也就是为什么ZEPLIN-III探测器被包裹上保护性材料。外层的聚丙烯塑料在设计上用于帮助消除中子，周围厚厚的铅壳则用于消除伽马射线。探测器内部的“靶子”由12公斤纯液态氙构成，一旦核心受到粒子轰击便会发生反应。无论什么时候，只要发生反应便会产生闪光(由光子传感器记录)和电荷，后者在悬于液态氙“靶子”上方薄薄的氙气层中测量。通过测量光脉冲与电荷尺寸的比率，波尔比的研究小组能够确定所探测到的“事件”是否是一次罕见而令人极度兴奋的WIMP交互作用，或者只是一次令人沮丧的伽马射线穿过。　　 这座科学实验室的主厅 参与这一项目的科学家中没有一个人确切知道暗物质是否真实存在 　　不管谁获得胜利，都将名垂青史并斩获诺贝尔奖 　　截至春初，波尔比研究小组将确定他们能否得出令人信服的发现，即在世界上第一次探测到暗物质的存在。“令人信服”非常重要，因为他们必须说服自己，同时还要说服这一研究领域心存怀疑的其他竞争对手。这些竞争对手中有的位于加拿大，有的位于南达科他州，有的则位于意大利大萨索山地下，其中包括他们的主要竞争对手——XENON 100暗物质搜寻实验。XENON项目组最近的一次实验在2010年9月进行，未能发现令人信服的暗物质存在证据，这让波尔比项目组长长地舒了一口气。 　　出生于波兰的ZEPLIN-III项目负责人帕维尔马耶夫斯基博士指出：“实际上，我们没必要期盼竞争对手遭遇失败，因为发现暗物质的最终受益对象是整个科学界，而不单单是个人。此外，他们使用的是与我们类似的探测设备，如果他们能够取得成功，说明我们也有成功机会。这是一个竞争激烈的研究领域，不管谁获得胜利，都将名垂青史并斩获诺贝尔奖。如果失败降临到其他团队而不是自己团队身上，你同样会感到非常失望。” 　　如果失败，我们需要制造一台更大的探测器 　　现在，波尔比矿井内的科学家正朝着实现这一梦想的道路前进。ZEPLIN-III探测器的灵敏度是ZEPLIN-II的10倍，ZEPLIN-II的灵敏度大约也是Mark I的10倍。借助于这种高灵敏探测设备，科学家距离发现暗物质自然更近一步。在打开探测器并在3月进行最终测量时，实验结果将浮出水面。如果ZEPLIN-III能够记录10次事件并证明这些事件并非背景辐射的结果，研究小组便取得胜利。波尔比实验室资深科学家和设施负责人肖恩帕林表示：“这里的每一个人都认为，我们已经处在上演重大发现的边缘。虽然没有一个人观测到非背景辐射事件，但我们可能已经进入上演这种发现的时刻。” 　　在波尔比的实验中，没有人愿意猜测成功发现暗物质的几率。由于遭受失败的可能性极高，实验室的空气中弥漫着紧张的气氛。DRIFT-II主要由美国大学资助，研究小组希望这个探测器至少可以安全使用3年。ZEPLIN-III的资金将于3月陷入枯竭，政府部门和赞助者——科学与技术设施理事会需要为之提供更多资金。 　　ZEPLIN-III项目组操作着世界上最灵敏的探测器，在进行旨在寻找暗物质的实验中，他们自然处于有利位置，成功发现暗物质的几率高于其他研究团队。面对这种极富挑战的实验，我们不得不问如果失败了怎么办?伊夫特对此表示：“如果失败，我们需要制造一台更大的探测器，继续进行这种实验。”