美国开辟探测场:在废弃金矿外能否探测到暗物质？

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由于尚未出现暗物质存在的直接探测证据，也有一些理论试图在不引入暗物质的情况下解释已有的天文观测现象。典型的一类理论是修正的牛顿引力理论（Modified Newtonian Dynamics, MOND）, 这类理论主张牛顿或爱因斯坦的引力理论并不完备，引力在不同的尺度会有不一样的行为。然而，暗物质存在的证据来自于许多互不相关的观测现象，要仅仅通过引力理论而不引入暗物质来同时解释所有的这些现象是非常有挑战性的。尤其是子弹星团事例中观测到的正在碰撞的星团中可见物质和其质量中心的明显分离，是支持暗物质存在而非引力理论需要修改的观测证据。
  即使暗物质粒子与常规物质仅有微弱的相互作用，暗物质粒子也有可能被精密的实验仪器探测到。目前科学家采用的探测手段可以分为三类：一是探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用，称为直接探测；二是寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，称为间接探测，三是探寻粒子对撞机中人为产生的暗物质粒子，称为加速器探测。
   在意大利大索萨山底，在美国南达科他州的废弃金矿下，在中国四川锦屏山地下隧道里，数以吨计的液氙一直在等待与暗物质粒子进行一次电光石火的碰撞。但近几年来相关实验进展依旧沉寂，科学家们开始更多地考虑另一种可能性：如果暗物质粒子质量更小，相互作用更弱，无法通过碰撞探测到呢？
　　据报道，北京时间4月9日晚间，美国能源部费米国家实验室和华盛顿大学发表在《物理评论快报》上的一篇论文宣布，其联合运作的轴子暗物质实验（ADME）在国际上首次达到了探测暗物质理论预测模型轴子（axion）的精度要求。
　　《物理评论快报》是物理领域的国际顶级期刊。2016年引力波成功探测的成果，正是发表在该期刊上。
　　这意味着人类为捕捉暗物质粒子开辟了新的战场。目前，这个位于西雅图的实验装置公布了首批探测结果，为轴子可能隐藏的区间做出了更精确的限定。在未来几年，科学家们将启动大规模的搜寻。
　　这个结果标志着我们真正启动对了对轴子的猎捕，实验运行主管Andrew Sonnenschein表示，如果暗物质轴子在我们搜寻的频率区间内，那找到它只是时间问题。
　　实验首席科学家Leslie Rosenberg也充满信心：技术足够了。我们不再需要奇迹了，我们只需要时间。
　　看不见但感受得到的暗物质
　　尽管暗物质粒子参与电磁相互作用，无法被看到，但它们的存在切切实实地影响到了可见物质的运动，从星系到宇宙学尺度上的观测均可验证。
　　比如，我们所在的太阳系围绕银河系中心旋转的实际速度，明显快于基于牛顿引力定律的计算结果。这意味着，银河系中存在大量不可见的神秘物质提供了额外的引力。若非如此，太阳系早该被甩出去才是。
　　从1980年代开始，暗物质开始为主流学界所承认。暗物质粒子能产生引力，不参与电磁相互作用，这是人类对这种神秘物质的全部认知。针对更进一步的细节，科学家们提出了不同的理论预测模型，其中弱相互作用大质量粒子（WIMP）和轴子（axion）是最为主流的两种。
　　WIMP假设暗物质粒子参与引力和弱核力，质量相对较大。根据计算预测，每分每秒都有无数暗物质粒子穿透地球，因此，文章开头所说的几个地下WIMPs探测实验，即欧洲XENON实验、美国LUX实验和上海交通大学PandaX实验，均采用了守株待兔的策略进行直接探测。一旦WIMPs与数吨液氙原子中的一个发生了碰撞，其冲能就会转化为光电信号，被探测器中灵敏的光电管记录下来。实验室设立在千米深的地下，是为了更好地屏蔽外界的噪音。




锦屏地下实验室 四川日报 图
　　轴子则是在斯坦福大学物理学家Helen Quinn和Roberto Peccei的工作基础上衍生出来的假设。现任上海交通大学李政道研究所所长、2004年诺奖得主Frank Wilczek在1980年代以一种洗涤剂的名字axion命名了这种暗物质粒子的候选人，因为它可能洗涤人类对时间可逆性的认知。
　　轴子的质量非常小，可能只有电子质量的万亿分之一，相互作用也更弱，无法像WIMP那样通过碰撞探测到。不过，在强磁场下，轴子会转化为光子。光子信号被谐振腔增强后，就能被探测器听到。
　　又黑又冷的收音机
　　你就想象成一个收音机吧，ADMX实验发言人Cray Rybka表示，我们造了个收音机来寻找一个不知道频率的电台，慢慢地边听边调频。如果频率调对了，我们就能听到。
　　这台收音机需要造得又黑又冷，才能听到轴子转化成的光子。早在上个世纪，ADMX的初代探测器就已建成，但无法摆脱来自热辐射和机器自身电子器件的噪音。
　　降低热辐射干扰比较简单：将探测器降温至0.1开尔文（零下273.05摄氏度）左右。消除机器自身的电子器件噪音就麻烦得多。直到探测器最近用上了超导量子放大器，精度才真正达标了。




ADMX谐振腔 ADMX项目网 图
　　配置传统半导体放大器的初代实验，可能需要数百年的时间才能扫完轴子可能的质量区间。用上超导探测器后，我们扫完这些区间仅需数年。ADMX实验发言人另一发言人Gianpaolo Carosi表示。
　　开辟新的战场
　　WIMP模型多年来一直是人类追捕暗物质最受青睐的方向。它能很好地解释宇宙的演化和暗物质的大量存在。此外，WIMP的属性完美吻合了一度极富吸引力的超对称理论。
　　国际上WIMP探测器的规模不断升级、灵敏度也不断提高，但千米深的地底下始终未传来佳音。2017年10月，欧洲XENON和中国PandaX在同期《物理评论快报》上发表了最新结果，依然没有带来决定性的证据。
　　沮丧的气氛开始蔓延。不是说要从WIMP模型全线撤退，但确实该转移重心了。费米实验室的物理学家Dan Hooper当时评价道。
　　这次ADME探测器的全新升级，或许是轴子模型转正路上浓墨重彩的一笔。
　　目前，中国的锦屏地下实验室里有两支暗物质探测团队，一支来自清华大华，一支来自上海交通大学。他们锁定的目标均为WIMP，不过在探测过程中，也能为轴子模型提出一些限制。
　　除了直接探测之外，科学家们还寄希望于间接探测暗物质。即暗物质本身虽不可见，但它们可能会像正常粒子一样衰变或湮灭，产生可见的物质，从而留下痕迹。美国国家航空航天局的费米空间望远镜、国际空间站中由丁肇中领导的阿尔法磁谱仪、中国科学院的悟空号卫星，就在太空中追踪暗物质湮灭的魅影。欧洲核子中心著名的大型强子对撞机（LHC）也在寻找类似的线索。




悟空号卫星
  宇宙中将近85%的物质都是暗物质。在揭晓它的庐山真面目之前，人类对宇宙的根本性认识恐怕很难再进一步。