什么是暗物質(zhì)？它的發(fā)現(xiàn)將有什么重要意義？與“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)相比，暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)更重要嗎？帶著這些問題，早報(bào)記者采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(zhì)
加拿大SNO地下實(shí)驗(yàn)室 ?。ǖ叵?000米，2008年建成）
意大利GRAN SASSO 地下實(shí)驗(yàn)室 ?。ǖ叵?700米，1987年建）
中國(guó)錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)廳 （地下2400米，2010年投入使用）
全球主要地下實(shí)驗(yàn)室分布圖。 制圖 郁斐
什么是暗物質(zhì)？它的發(fā)現(xiàn)將有什么重要意義？與“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)相比，暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)更重要嗎？帶著這些問題，早報(bào)記者采訪了中科院理論物理研究所研究員李淼。
東方早報(bào)：暗物質(zhì)與暗能量是一回事情嗎？
李淼：暗物質(zhì)有點(diǎn)像物質(zhì)粒子，只是不發(fā)光而已；暗能量根本就不是粒子。暗能量這個(gè)概念相對(duì)年輕些，形成只有10年。暗物質(zhì)這個(gè)概念就很老了，可以追溯到1933年，那一年天文學(xué)家Zwicky發(fā)現(xiàn)一個(gè)星系團(tuán)中的星系速度比預(yù)期的要大，根據(jù)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(zhì)，當(dāng)時(shí)叫丟失了的物質(zhì)。
東方早報(bào)：黑洞是暗物質(zhì)嗎？
李淼：黑洞與死掉的恒星都是存在的，但是天文學(xué)家通過觀測(cè)，通過微引力透鏡的手段觀測(cè)到，所有死掉的恒星和黑洞，它們的質(zhì)量加起來，不足以解釋暗物質(zhì)。因?yàn)榘滴镔|(zhì)占宇宙質(zhì)量的25%（外電報(bào)道稱是23%），恒星和黑洞質(zhì)量加起來遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到這個(gè)量。
東方早報(bào)：人會(huì)被一堵墻擋住，太空飛船在太空飛行時(shí)會(huì)被暗物質(zhì)擋住嗎？
李淼：不會(huì)。暗物質(zhì)為什么會(huì)有那么大的質(zhì)量呢？暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)的相互作用很弱，但這并不代表沒有質(zhì)量。暗物質(zhì)與其他物質(zhì)伴生，有物質(zhì)的地方就有暗物質(zhì)，但分布得更廣。比如說，在有恒星、星系的地方一定有暗物質(zhì)，但暗物質(zhì)要比這些星系占的空間大許多，所以暗物質(zhì)的質(zhì)量比星系質(zhì)量大。
東方早報(bào)：報(bào)道中稱，WIMP只是暗物質(zhì)的一個(gè)候選體，什么叫候選體？
李淼：暗物質(zhì)有很多種可能性，只要有質(zhì)量不發(fā)光就行，最早的可能性是死掉的恒星或黑洞，但這種可能性被天文學(xué)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(fù)電子對(duì)會(huì)反常，其他中微子不會(huì)有這樣的效果。
東方早報(bào)：如果暗物質(zhì)真的被發(fā)現(xiàn)，有應(yīng)用價(jià)值嗎？
李淼：應(yīng)用價(jià)值暫時(shí)談不上，但起碼解決了一個(gè)多年的謎題。通過萬有引力很難解釋一些物理現(xiàn)象，太陽系或者銀河系為何能維持現(xiàn)在的狀態(tài)，光靠可見物質(zhì)的引力是無法解釋的，但在暗物質(zhì)的假設(shè)模型里就可以解釋。
東方早報(bào)：暗物質(zhì)如果被發(fā)現(xiàn)，會(huì)動(dòng)搖量子理論和相對(duì)論嗎？
李淼：它不會(huì)動(dòng)搖20世紀(jì)的量子理論和相對(duì)論，還是在這個(gè)框架內(nèi)解釋。
東方早報(bào)：去年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”，如果這次的發(fā)現(xiàn)最后被證實(shí)是暗物質(zhì)，兩個(gè)發(fā)現(xiàn)哪個(gè)更重要？
李淼：這個(gè)發(fā)現(xiàn)要比“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)更重要。如果沒有上帝粒子，我們的粒子標(biāo)準(zhǔn)模型就是不完備的。但是如果沒有暗物質(zhì)，粒子標(biāo)準(zhǔn)模型也是完備的，只是天文學(xué)家和宇宙學(xué)家會(huì)困惑。如果丁肇中團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)被確認(rèn)，這肯定是這幾十年來的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
延伸閱讀
中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室全球最深，條件最好
地下實(shí)驗(yàn)室是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)一個(gè)必不可少的條件。目前，全球的地下實(shí)驗(yàn)室有十幾個(gè)，為了避免專門挖掘地下實(shí)驗(yàn)室的高成本，它們都是利用已有的土建設(shè)施，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，比如美國(guó)700米深的SOUDAN地下實(shí)驗(yàn)室，在建的DUSEL地下實(shí)驗(yàn)室有幾百米到2400米深的多個(gè)實(shí)驗(yàn)廳。另一種是利用隧道，在隧道里橫向挖出實(shí)驗(yàn)大廳。最著名的有意大利的GRAN SASSO 地下實(shí)驗(yàn)室，入口建在一條10公里長(zhǎng)高速路隧道的中部，上方有1700米巖石覆蓋，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有3個(gè)各100米長(zhǎng)、20米寬、20米高的實(shí)驗(yàn)大廳和眾多較小的實(shí)驗(yàn)廳和通道，內(nèi)容積目前世界第一。
2010年12月，中國(guó)錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室正式掛牌。該地下實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)40米長(zhǎng)、6.5米寬、8.5米高的實(shí)驗(yàn)大廳，盡管目前大廳總?cè)莘e不是很大，但它是目前世界上條件最好的地下實(shí)驗(yàn)室：首先，它是當(dāng)前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，上方有2.5公里巖層覆蓋，宇宙射線通量最少，每平方米每周只有一個(gè)μ子通過，比意大利GRAN SASSO實(shí)驗(yàn)室小300倍。其次，地下實(shí)驗(yàn)室所在處不是花崗巖，而是大理巖，其自然放射性相當(dāng)?shù)?，?shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其天然放射性比洞外的巖石都低，和意大利GRAN SASSO的巖石相比，放射性元素鈾的含量低了3倍。這些都為暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了非常好的條件。目前地下實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)物理參數(shù)，包括宇宙射線通量、光子和中子的通量，都在測(cè)量之中。
DAMA實(shí)驗(yàn)
DAMA實(shí)驗(yàn)位于意大利的GRAN SASSO地下實(shí)驗(yàn)室，選取碘化鈉晶體做探測(cè)器，使用了非常靈敏的光電管來探測(cè)碰撞后產(chǎn)生的光信號(hào)，光電管可以探測(cè)到一個(gè)光子（肉眼在白天每秒會(huì)看到1016個(gè)光子）。中科院高能所有幾位科學(xué)家是該實(shí)驗(yàn)組成員。DAMA經(jīng)過了十幾年的觀測(cè)，宣布發(fā)現(xiàn)了WIMP的年調(diào)制信號(hào)，所謂年調(diào)制， 是指WIMP相對(duì)于太陽的速度是一定的，而地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)，因此，WIMP相對(duì)于地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信號(hào)的事例率也會(huì)有周期一年的起伏。不過這一結(jié)果沒有得到其他實(shí)驗(yàn)組的證實(shí)。
CRESST實(shí)驗(yàn)
CRESST實(shí)驗(yàn)同樣位于GRAN SASSO，該實(shí)驗(yàn)使用鎢酸鈣（CaWO4）晶體作為探測(cè)器。它們將晶體冷卻到零下273攝氏度，只比絕對(duì)零度高0.05攝氏度。WIMP碰撞的熱信號(hào)會(huì)造成晶體溫度升高0.01攝氏度，再通過高靈敏度的“溫度計(jì)”來測(cè)量溫度變化。CRESST一期結(jié)果已經(jīng)發(fā)表，沒有找到暗物質(zhì)，二期結(jié)果正在分析之中。
XENON100實(shí)驗(yàn)
位于GRAN SASSO地下實(shí)驗(yàn)室的XENON100實(shí)驗(yàn)是目前靈敏度最高的實(shí)驗(yàn)之一，上海交通大學(xué)是參加實(shí)驗(yàn)單位之一。XENON100使用了165公斤的液氙作為探測(cè)器，能夠探測(cè)光信號(hào)和電信號(hào)，通過兩者之間的比例關(guān)系，可以更有效地區(qū)分WIMP信號(hào)和外界普通粒子引起的信號(hào)，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)靈敏度。在2010年初發(fā)表了一個(gè)月的觀測(cè)結(jié)果，并沒有看到暗物質(zhì)粒子。目前該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)采集了一年的數(shù)據(jù)，正在緊張地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。是否會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，大家都拭目以待。
CDMS實(shí)驗(yàn)
CDMS實(shí)驗(yàn)位于美國(guó)SOUDAN地下實(shí)驗(yàn)室，它使用硅晶體和鍺晶體作為探測(cè)器。CDMS經(jīng)過一年多的觀測(cè)，在2009年底發(fā)表了測(cè)量結(jié)果，宣布找到了兩例疑似WIMP信號(hào)事例。盡管有一定的可能性是噪聲事例，還是引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。
CoGeNT實(shí)驗(yàn)
CoGeNT實(shí)驗(yàn)使用高純鍺探測(cè)器來觀測(cè)WIMP碰撞產(chǎn)生的電信號(hào)，也發(fā)現(xiàn)了疑似信號(hào)事例，還有待于進(jìn)一步證實(shí)。
（該內(nèi)容引自上海交通大學(xué)粒子物理宇宙學(xué)研究所研究員劉湘《尋找暗物質(zhì)，錦屏來了》一文）
錄入編輯：王卉
