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于“最深最黑”处趋近暗物质

时间:2019-10-29 18:57:00
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于“最深最黑”处趋近暗物质

来源:中国科学报 2014-12-29 王珊

  暗物质和暗能量被并称为21世纪现代物理学和天文学晴朗天空中的“两朵乌云”。在宇宙构成中,人类已知物质占宇宙的组份不到5%,而暗物质的比例几乎是已知物质的5倍多。

  自从上世纪30年代美国加州理工学院的弗里兹•兹威基首次提出暗物质存在的可能性,人类开始获得越来越多和越来越精确的宇宙学数据,并日益趋近暗物质的存在。

  了解暗物质,是21世纪科学征程中的一大挑战。2002年,美国国家研究委员会的一份报告列出了新世纪要解答的11个科学问题,其中“什么是暗物质”研究位列首位。2008年,欧洲推出的粒子天文学路线图列出7个重要领域,暗物质排在第一。

  2014年,对暗物质的探寻依然是物理学研究的前沿和热点。而近年来,中国科学家也围绕暗物质的探测进行了周密部署。

  2009年,科技部将暗物质和暗能量研究纳入国家“973”计划前沿交叉领域。小儿癫痫怎么引起的?在中科院战略研究系列报告《科学技术与中国的未来》中,暗物质和暗能量被列为可能出现革命性突破的基本科学问题之一。

实现“最深最黑的梦”

  从开始筹建到运行,四川锦屏地下实验室一直是全世界关注的焦点。 

  因为不发射任何光及电磁辐射,科学家只能通过引力产生的效应得知暗物质的存在。而利用探测器直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生信号的地下实验,是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式。

  “暗物质粒子和原子核碰撞的概率很小,产生的信号也很微弱。”以清华大学为主导的中国暗物质实验CDEX合作组即是国内地下实验的代表。其成员清华大学工程物理系副教授岳骞说,把探测器放置在很深的地下,可大大减少宇宙线与探测器碰撞产生的背景信号。

  在锦屏地下实验室建成之前,岳骞等人不得不在国外开展暗物质研究。对于他们来说,能在国内找到地方、以主人的身份作研究,是他们“最深女性癫痫的治疗方法有哪些最黑的梦”。

  多年来,岳骞一直在干的一件事情就是在国内找“洞”。岳骞和同事下过煤矿、去过隧道,但一直没有找到理想的选址。

  “有,不代表就可以用。”探测暗物质的条件非常苛刻。“这需要非常洁净的空间,不能有大震动,不能有太多宇宙线粒子,不可以有太多的放射性,交通还要方便。”清华大学副校长、中国锦屏地下实验室主任程建平说。

  直到2008年,岳骞在电视里看到位于锦屏水电站的锦屏隧道贯通的消息。“这不就是我们要找的洞吗?岩石埋深大、宇宙线通量极低、岩石天然本底低,交通便利、配套设施完善!”岳骞等人激动万分。

  2009年5月8日,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签订战略合作协议,联合建立中国锦屏地下实验室。

  2010年年底,锦屏地下实验室一期投入使用。锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖达2400米,是国际上岩石覆盖最深的地下实验室,被称为探寻暗物质“最干净的地方”。

  当时,《科学》杂志发文称:中国科学家希望“最深最黑的梦”变成现实。

5年探寻硕果累累

  如果将暗物质粒子比喻成一条鱼,在一个漫无边际的海洋中存在,那么找到这条鱼,就是找寻暗物质的过程。

  清华大学的“捕鱼”工具是“高纯锗探测器”。早在2003年,实验组就率先在国际上提出,利用极低能量阈高纯锗作为探测器开展暗物质直接探测的构想。锗是一种优良的半导体材料,最大限度地提高锗的纯度可有效去除探测器自身的放射性干扰。

  如今,CDEX合作组研制的1公斤点电极高纯锗单元探测器已是国际上点电极高纯锗探测器中灵敏度最高的探测器系统。

  今年11月11日,国际著名期刊《物理评论D》快报栏目发表了该合作组的研究成果。该成果进一步缩小了暗物质的存在区域,同时推翻了美国CoGeNT暗物质实验组近年来宣称“已经探测到暗物质存在区域”的结论。后者曾让全世界的科学家为之兴奋不已。

  英国皇家科学院院士、欧洲核子中心理论部教授约翰•艾力斯在评论这一成果时表示:“在暗物质寻找过程中,特别是近年来在轻质量暗物质区间有很多实验结果互相矛盾的情况下,中国暗物质实验合作组新的实验结果具有国际前沿水平。”

  其实,CDEX合作组只是中国暗物质研究团队的一部分。

  2010年,国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究及实验预研”启动。该项目对中国的暗物质研究进行了科学布局,下设6个课题,CDEX合作组就是其中一个。

  项目首席科学家、中科院院士吴岳良告诉记者,今年项目已经顺利结题,其他5个课题也取得了非常理想的结果。

  “项目刚批准时,我们还非常担心。”吴岳良说,中国关于暗物质的研究相对国外来说起步晚,但现在看来,双方已站在同一条起跑线上。

  今年,课题之一、由上海交通大学牵头的PandaX实验组利用设计和研制的120公斤级液氙探测器,对目前所有疑似暗物质探测实验所获得的数据信号进行了高精度验证。

  与此同时,计划中的暗物质空间探测实验项目也有着非常值得关注的成果。中科院紫金山天文台暗物质与空间天文实验室主任常进等人正紧锣密鼓地研制暗物质粒子探测卫星。

  常进透露说,暗物质粒子探测卫星将于2015年年底发射。届时,卫星将通过在空间观测高能电子和伽马射线,从正负电子的总和入手,解析暗物质之谜。

合理布局凸显优势

  在吴岳良看来,之所以中国在暗物质研究上能迅速取得战果,和团队之间的团结合作密不可分。

  “项目集中了国内在暗物质和暗能量领域的主要优势单位,组成了一个跨学科的研究队伍。”吴岳良说,中国的暗物质研究一开始就从理论和实践、天上和地下进行了合理布局。

  注重独特的数据来源,利用既有技术开发更多独特的渠道去做实验……吴岳良说,未来5年,中国的竞争优势将会更加明显,“我们有世界埋深最深、环境最干净的实验室,有专门为探测暗物质研制的卫星;此外,中科院高能所也在着手液氩探测器的研制,探测途径益发多样化……相比之前,中国探测到暗物质的机会更大了”。

  当前,如何保持既有优势,并让其充分发挥出来,成为科学家深入思考的问题。

  第一个就是要不断提高既有探测器的精度。以高纯锗探测器为例,单个探测器体积无法做得很大。

  为此,CDEX合作组提出了“阵列探测器”的技术路线,由多个单体组合成巨大的阵列探测器。

  实验组目前正在建设10公斤量级高纯锗阵列系统CDEX-10,这将是国际上最大质量的极低能量阈高纯锗探测器阵列。而之后,将继续进行百公斤级到吨级的阵列高纯锗探测系统的研制。

  与此同时,记者了解到,PandaX实验组也正在进行500公斤级液氙探测器的研制。

  探测只是研究暗物质的第一步。在岳骞看来,未来国家要从面上推进暗物质研究的前沿实验,一方面先有突破性的成果,另一方面跟进后续的技术,以便发现暗物质之后,能开展更进一步的研究。

  此外,吴岳良说,还需要进一步加强理论研究与实践研究的结合,将优势发挥到更大。

微议

  自从天文学家发现宇宙中大部分物质都是无形的,他们就试图找出这些模糊的东西可能是什么。如今,这一谜底已经越来越清晰。

  今年年初,利用美国宇航局费米伽马射线太空望远镜所提供的公开数据,研究人员发现银河系中心存在过量的高能伽马射线。暗物质粒子湮灭释放出伽马射线信号这一说法已经大为加强。

  当地时间9月18日晚,诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中带领的阿尔法磁谱仪团队在欧洲核子研究中心公布,在业已完成的观测中,暗物质的6个特征已有5个得到确认,这进一步预示暗物质可能存在。

治疗癫痫疾病的新方法>  12月15日,瑞士洛桑联邦理工学院发布了利用欧洲航天局XMM牛顿天文望远镜观测的结果。研究人员从宇宙X射线中发现了一种非典型性光子发射现象,这可能也是暗物质存在的证据。

  今年,我国清华大学领导的CDEX实验组和上海交通大学领导的PandaX实验组得到的多个数据,也进一步缩小了暗物质探寻区域。经过多年积累,中国的暗物质研究实现了从无到有、从追赶到位居国际前沿的转变。

  越来越多的数据表明,人类已处在发现暗物质的边缘。未来10年,将是暗物质取得突破性成果的10年。各国科学家都在摩拳擦掌,等待这一兴奋时刻的到来。暗物质探寻的竞赛也愈发地激烈。

  对于后来居上的中国科学家来说,注重独特的数据来源,利用既有的技术开发更多独特的渠道去做实验,是中国的机会。

  人类认识暗物质的旅途即将迎来最后一段征程,让我们拭目以待。

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