地球上的古代岩石，可能解决暗物质的奥秘

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我们宇宙的大部分都缺失了。从最小的星系到横跨整个宇宙的结构的观察表明，普通物质--构成你、我和我们在周围宇宙中看到的一切的物质，只占所有物质的五分之一。剩下的80%是个谜。

几十年来，我们试图用一系列越来越复杂的探测器来搜寻这个“暗物质”，但我们仍然空手而归。现在是采取新办法的时候了。也许，将从地球内部提取的古老矿物和现代纳米技术结合在一起，就能揭示这种难以捉摸的物质的秘密。

我们看不到暗物质，因为它不与光相互作用。然而，理论模型提供了它可能由什么构成的线索。最令人信服的解释是，它是由粒子组成的，就像我们周围所有普通的东西一样。最有希望的候选者之一是WIMP，也就是弱相互作用的大质量粒子，它是一个假设的实体，其质量与正常原子核的质量相似。

如果暗物质是由WIMP组成的，那么一升的物质，无论是空气，岩石，应该包含一些这些奇异的粒子，以每秒数百公里的速度旋转。

大多数时候，这些粒子会以它们的方式直接穿过任何物体，就好像它不在那里一样。但罕见的是，它们能撞到这个物质的原子核并给它一点刺激。

在过去的30年里，许多实验都试图探测到这些碰撞。这种直接探测的方法包括在实验室里监测许多原子核，看看是否有被暗物质粒子触碰过的原子核。最大的此类实验，在意大利的格兰萨索国家实验室的XENON1T，使用了大约1吨液体氙。观察时间从2016年底持续到2018年初，但在10^28个氙原子核中，似乎没有一个被暗物质击中。

意大利的XENON1T实验使用了大约一吨的氙来探测暗物质碰撞，但没有发现任何碰撞。

XENON1T或类似的实验现并没有看到任何碰撞，但这并不意味着暗物质是由WIMP组成的想法就不存在了。很难预测WIMP撞击原子核的频率，也许我们只需要多观察10或100倍的原子核才能看到碰撞。

一种新方法。

使用更大、更灵敏的探测器的实验就是为了做到这一点。例如，运行XENON1T的团队正在建造一个更大的版本，名为XENONnT，使用大约7吨液态氙。当然，探测器的体积越大，建造的成本就越高，操作也就越困难。

所以一部分研究者开始考虑其他的选择。与实时监测原子核不同，如果碰撞可以在极长的时间内被记录下来，那又会怎样呢？我们需要的材料已经存在，它就在我们脚下。

地球大约有45亿年的历史。例如，如果我们能找到一种“记忆”了10亿年暗物质碰撞的物质，那么研究100克这种物质就会像直接探测10000吨原子核长达10年的实验一样有效。

我们的星球上充满了具有晶体结构的古老矿物，如盐和钻石。在许多这样的晶体中，原子核和暗物质之间的碰撞会使原子核脱离位置。我们的计算表明，当原子核穿过晶体时，它留下的损伤痕迹会非常短，通常不到100纳米，或者比人的头发薄1000倍。然而，在许多材料中，这些痕迹将被保留超过10亿年。由于现代纳米技术，现在有了工具来揭示这些微小的化石特征。由于这个系统使用的是古代矿物，我们称之为古探测器。

古探测器在实践中是如何工作的？与直接检测实验一样，虚假信号可能使问题复杂化。暗物质并不是唯一能把原子核踢出位置的东西，在30年的直接探测实验中，物理学家们已经尽了更大的努力来避免这个问题。

宇宙射线是这种假信号的一个主要来源。这些普通的粒子，尽管能量很高，却不断地从太空中落到地球上。与暗物质粒子一样，当原子核穿过物质时，它们也能推动原子核。然而，宇宙射线不能穿透地球很远的地方，所以直接探测实验是在地下深处进行的。例如，XENON1T位于格兰萨索山下面1.4公里处。这就是为什么古探测器所需的材料也必须从深处获取的原因。

这个的方法的一个好处是它只需要几公斤的晶体。这样一个适度的数量可以在不太困难的情况下，从比直接检测实验室更深的地方获得，而直接检测实验室需要人和卡车才能进入。这种额外的深度将对宇宙射线起到额外的保护作用。

放射性过程是假信号的另一个来源。从地球上挖出的任何物质在某种程度上都受到铀等放射性元素的污染。放射性引起的损伤特征可能与暗物质引起的损伤特征相似。例如，放射性过程产生高能中子，这些中子由于与原子核碰撞而失去能量，就像WIMP所能做的那样。

为了限制这种假信号，必须使用最清洁的材料进行古探测。在地壳中形成的晶体太脏了，但大自然提供了两个污染较少的来源：地球的海洋和地幔（地壳和地核之间的部分）。

例如，岩浆在地下冷却时形成的矿物，或形成于蒸发的海洋底部的矿物，比在地壳中形成的矿物清洁得多，因为它们往往含有较少的铀。我们想要进行古探测的一些矿物是岩盐、泻利盐和菱锰矿。这些可以从为地质研究或从石油勘探的深孔中获得。然而，在任何物质中都会有放射性的痕迹，这就为古探测的灵敏度设定了一个下限。

一旦获得了足够纯净的古代晶体样品，剩下的任务就是寻找残留在其中的微小损伤特征。这要归功于近年来发展起来的一系列尖端技术，如X射线和氦离子束显微镜，这些技术足够强大，可以缩小到纳米尺度。

研究人员还需要一段时间才能用古探测器寻找暗物质。到目前为止，我们已经奠定了理论基础，展示了什么是可能的。在今年晚些时候，科学家将开始小规模的试验性测试。为了确保我们能够测量由WIMP引起的任何损伤轨迹，我们将使用中子爆炸在晶体中创建类似的轨迹。我们还将测量来自不同地方的一系列矿物中的放射性污染，看看哪种可能是最有希望的古探测方法。

几十年来，暗物质的本质一直无法被揭示。古代矿物和现代技术的结合可能最终解开了这个谜团。

  
本文选自：今日头条

誓约之剑

天方夜谭而已。