「暗物質的發現比上帝粒子更重要」

2013年02月21日 04:12來源：東方早報

0人參與 0條評論

什麼是暗物質？它的發現將有什麼重要意義？與「上帝粒子」的發現相比，暗物質發現更重要嗎？帶著這些問題，早報記者採訪了中科院理論物理研究所研究員李淼。

中科院理論物理研究所研究員李淼科普暗物質

加拿大SNO地下實驗室　　（地下2000米，2008年建成）

義大利GRAN SASSO 地下實驗室　　（地下1700米，1987年建）

中國錦屏極深地下暗物質實驗室實驗廳　　（地下2400米，2010年投入使用）

全球主要地下實驗室分布圖。　　製圖 郁斐

什麼是暗物質？它的發現將有什麼重要意義？與「上帝粒子」的發現相比，暗物質發現更重要嗎？帶著這些問題，早報記者採訪了中科院理論物理研究所研究員李淼。

東方早報：暗物質與暗能量是一回事情嗎？

李淼：暗物質有點像物質粒子，只是不發光而已；暗能量根本就不是粒子。暗能量這個概念相對年輕些，形成只有10年。暗物質這個概念就很老了，可以追溯到1933年，那一年天文學家Zwicky發現一個星系團中的星系速度比預期的要大，根據牛頓萬有引力定律，意味著星系之間還有很多我們沒有看到的物質，當時叫丟失了的物質。

東方早報：黑洞是暗物質嗎？

李淼：黑洞與死掉的恆星都是存在的，但是天文學家通過觀測，通過微引力透鏡的手段觀測到，所有死掉的恆星和黑洞，它們的質量加起來，不足以解釋暗物質。因為暗物質占宇宙質量的25%（外電報道稱是23%），恆星和黑洞質量加起來遠遠不到這個量。

東方早報：人會被一堵牆擋住，太空飛船在太空飛行時會被暗物質擋住嗎？

李淼：不會。暗物質為什麼會有那麼大的質量呢？暗物質跟普通物質的相互作用很弱，但這並不代表沒有質量。暗物質與其他物質伴生，有物質的地方就有暗物質，但分布得更廣。比如說，在有恆星、星系的地方一定有暗物質，但暗物質要比這些星系占的空間大許多，所以暗物質的質量比星系質量大。

東方早報：報道中稱，WIMP只是暗物質的一個候選體，什麼叫候選體？

李淼：暗物質有很多種可能性，只要有質量不發光就行，最早的可能性是死掉的恆星或黑洞，但這種可能性被天文學研究所排除，粒子的可能性更大，如果是粒子的話，就有幾種可能性，一種極弱相互作用，也可能是一種特別的中微子。如果極弱相互作用，正負電子對會反常，其他中微子不會有這樣的效果。

東方早報：如果暗物質真的被發現，有應用價值嗎？

李淼：應用價值暫時談不上，但起碼解決了一個多年的謎題。通過萬有引力很難解釋一些物理現象，太陽系或者銀河係為何能維持現在的狀態，光靠可見物質的引力是無法解釋的，但在暗物質的假設模型里就可以解釋。

東方早報：暗物質如果被發現，會動搖量子理論和相對論嗎？

李淼：它不會動搖20世紀的量子理論和相對論，還是在這個框架內解釋。

東方早報：去年科學家發現了「上帝粒子」，如果這次的發現最後被證實是暗物質，兩個發現哪個更重要？

李淼：這個發現要比「上帝粒子」發現更重要。如果沒有上帝粒子，我們的粒子標準模型就是不完備的。但是如果沒有暗物質，粒子標準模型也是完備的，只是天文學家和宇宙學家會困惑。如果丁肇中團隊的發現被確認，這肯定是這幾十年來的重要科學發現。

延伸閱讀

中國暗物質實驗室全球最深，條件最好

地下實驗室是暗物質實驗一個必不可少的條件。目前，全球的地下實驗室有十幾個，為了避免專門挖掘地下實驗室的高成本，它們都是利用已有的土建設施，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，比如美國700米深的SOUDAN地下實驗室，在建的DUSEL地下實驗室有幾百米到2400米深的多個實驗廳。另一種是利用隧道，在隧道里橫向挖出實驗大廳。最著名的有義大利的GRAN SASSO 地下實驗室，入口建在一條10公里長高速路隧道的中部，上方有1700米岩石覆蓋，實驗室內有3個各100米長、20米寬、20米高的實驗大廳和眾多較小的實驗廳和通道，內容積目前世界第一。

2010年12月，中國錦屏極深地下暗物質實驗室正式掛牌。該地下實驗室有一個40米長、6.5米寬、8.5米高的實驗大廳，儘管目前大廳總容積不是很大，但它是目前世界上條件最好的地下實驗室：首先，它是當前世界上最深的地下實驗室，上方有2.5公里岩層覆蓋，宇宙射線通量最少，每平方米每周只有一個μ子通過，比義大利GRAN SASSO實驗室小300倍。其次，地下實驗室所在處不是花崗岩，而是大理岩，其自然放射性相當低，實驗檢測發現其天然放射性比洞外的岩石都低，和義大利GRAN SASSO的岩石相比，放射性元素鈾的含量低了3倍。這些都為暗物質直接探測實驗提供了非常好的條件。目前地下實驗室的各個物理參數，包括宇宙射線通量、光子和中子的通量，都在測量之中。

DAMA實驗

DAMA實驗位於義大利的GRAN SASSO地下實驗室，選取碘化鈉晶體做探測器，使用了非常靈敏的光電管來探測碰撞後產生的光信號，光電管可以探測到一個光子（肉眼在白天每秒會看到1016個光子）。中科院高能所有幾位科學家是該實驗組成員。DAMA經過了十幾年的觀測，宣布發現了WIMP的年調製信號，所謂年調製， 是指WIMP相對於太陽的速度是一定的，而地球在圍繞太陽公轉，因此，WIMP相對於地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信號的事例率也會有周期一年的起伏。不過這一結果沒有得到其他實驗組的證實。

CRESST實驗

CRESST實驗同樣位於GRAN SASSO，該實驗使用鎢酸鈣（CaWO4）晶體作為探測器。它們將晶體冷卻到零下273攝氏度，只比絕對零度高0.05攝氏度。WIMP碰撞的熱信號會造成晶體溫度升高0.01攝氏度，再通過高靈敏度的「溫度計」來測量溫度變化。CRESST一期結果已經發表，沒有找到暗物質，二期結果正在分析之中。

XENON100實驗

位於GRAN SASSO地下實驗室的XENON100實驗是目前靈敏度最高的實驗之一，上海交通大學是參加實驗單位之一。XENON100使用了165公斤的液氙作為探測器，能夠探測光信號和電信號，通過兩者之間的比例關係，可以更有效地區分WIMP信號和外界普通粒子引起的信號，從而大大提高了實驗靈敏度。在2010年初發表了一個月的觀測結果，並沒有看到暗物質粒子。目前該實驗已經採集了一年的數據，正在緊張地進行數據分析。是否會發現暗物質粒子，大家都拭目以待。

CDMS實驗

CDMS實驗位於美國SOUDAN地下實驗室，它使用硅晶體和鍺晶體作為探測器。CDMS經過一年多的觀測，在2009年底發表了測量結果，宣布找到了兩例疑似WIMP信號事例。儘管有一定的可能性是雜訊事例，還是引起了科學界的極大關注。

CoGeNT實驗

CoGeNT實驗使用高純鍺探測器來觀測WIMP碰撞產生的電信號，也發現了疑似信號事例，還有待於進一步證實。

（該內容引自上海交通大學粒子物理宇宙學研究所研究員劉湘《尋找暗物質，錦屏來了》一文）

錄入編輯：王卉

標籤：上帝 粒子 發現

推薦閱讀：