[2011.09.17] 粒子物理学：暗物质存在的力证纷至沓来

2011-9-20 17:04| 发布者: Somers| 查看: 4740| 评论: 14|原作者: tuliply

摘要: 黑暗的尽头还未见光明吗？

粒子物理学

黑暗的尽头还未见光明吗？

暗物质存在的力证纷至沓来

Sep 17th 2011 | rome | from the print edition

在意大利中部城市L’Aquila，物理学家们在大萨索山1400米的地下进行一项叫做DAMA（取自英语暗物质dark matter 前二位字母）的科学实验，十多年过去，他们在无人问津的“前线”孤军奋战。DAMA物理学家们声称已经检测出一种容量比一般大众熟知的物质组成——电子、质子、中子还要大四倍的不可见物质，但就在几个月前进行类似实验的科学家们中还无一人相信他们的论断。现在，反对者们臣服了。最近，实验基地同样设于大萨索山的CRESST实验室也转向皈依这一论断，他们在9月6日声称已掌握数据显示大质量弱相互作用粒子的存在，而这一物质正是暗物质的假设性构成。在此之前，五月份，有声明称美国一项叫做CoGeNT的实验也发现了大质量弱相互作用粒子。

其实，物理学家对暗物质的存在确信无疑，最早上世纪30年代做的天文观察就显示出要保持时刻运转的星系稳定聚集在一起远非一般性物质所能；换句话说，一个星系的可见部分一定是牢牢嵌在一种不可见的光晕上的；否则，它就会在运转过程中四分五散。科学家们猜想这种不可见的暗物质是由新型亚原子粒子构成，它们之间不发生电磁作用（即对光和其他电磁波都不敏感），也不依靠强大核力聚合原子核。只有重力和一种可以支配某些放射性衰变的弱核力能够使其聚集凝固，“弱反应”这一术语由此得名。

为了确定暗物质，DAMA、CRESST、CoGeNT等试验就要寻找在地球原子和地球母星系——银河系的暗物质光晕上的大质量作用粒子之间由“弱力量”引发的碰撞。因为这种碰撞会引起个体原子核的反作用，只要有适用的仪器就可以观测到这种反作用。但是要排除各种宇宙射线的干扰，这种试验最好是在地下进行。

大质量弱相互作用粒子愈加强大

DAMA试验由来自罗马第二大学的Rita Bernabei领导，主要是在250千克的碘化钠晶体中测量上述的原子核反应，之所以选择碘化钠是因为它可以结晶成为大个的透明晶体。在过去15年的实验中检测员记录下成千上万个反应信号，而且其中多数是有暗物质引起的。因为即便是深埋地下却并不能隔绝掉所有的背景环境信号。但是，尽管Bernabei博士无法分辨出哪些单一反应是由大质量弱反应粒子引起，她却发现了一个有趣的规律。每一年粒子碰撞的次数都增加，在五月末达到峰值，然后在11月底又回到最低值。Bernabei博士和实验组人员都深信这是暗物质引发某些原子核反作应的强有力证明。地球公转在夏季会加速太阳系穿透光晕，从而使得更多的大质量弱反应粒子穿过碘化钠晶体，而在冬季则相反；所以捕捉大质量弱反应粒子就时难时易。

然而，这一点并不是人人认同，有太多的因素都随着季节变化，所以这种年周期也许还有其他的解释。于是，CRESST实验室就开始寻求将反映信号从杂音中区分出来。慕尼黑Max Planck物理协会的Franz Pröbst带领物理学家们将钨酸钙冷晶体（选择原因同碘化钠）冷却至绝对零度的千分之几度，当亚原子粒子与钙原子核、氧原子核与钨原子核碰撞升温时，用一种特殊温度计测量出这细微的温度上升。他们认为自己可以通过测量每次碰撞产生的细微光束和热量识别出暗物质，因为暗物质碰撞所产生的光比产生同等热量的非暗物质碰撞要少。

CRESST出版在研究数据库arXiv的最新实验结果是将近两年时间内累计的来自8份300克大小钨酸钙晶体样本的实验数据分析的成果；从中，他们确定了67个碰撞案例中产生类似大质量弱相互反应中的能量，其中有近50例来自实验仪器周遭放射性衰变产生的四类已明干扰，那么，剩下的就可能是大质量弱相互作用粒子引起的了。

从统计观点来看，这实验结果还是貌似可信。研究人员总结称这67个碰撞案例都是由已知本地干扰引起的概率不到万分之一，但是那也未必就说明他们探明了大质量弱反应粒子。这一粒子物理学领域重大发现的端倪可能只是概率上的意外，Pröbst博士的同事Leo Stodolsky指出另外的粒子碰撞可能是由一些未知的背景环境引起，或者是他们低估了已明的四类干扰来源的影响。

暗物质探索浪潮中的CRESST

美国费米实验室的理论物理学家Dan Hooper对上述实验论断抱着比较宽容的态度，他将这最新实验结果形容为一个很大的进步，并相信CRESST实验组正在探明暗物质粒子。他认为此实验结果与DAMA和CoGeNT的实验分析大体上一致，（后者与DAMA实验室一样也发现了暗物质反应的季节波动）因为这三个实验室的实验所得数据都显示了类似质量和反应力的大质量弱相互反应粒子是存在的。

来自另外两个实验室CDMS和XENON的实验结果却没有与其他实验室一致，前者与CoGeNT实验室同样设立在美国明尼苏达的Soudan矿下，后者则是入住大萨索山的第三组实验计划；但他们的实验结果都显示出暗物质反应力量明显低于其他实验室的测量结果。然而Dr Hooper博士认为XENON实验室人员可能是低估了暗物质反应的力量，他还指出CDMS的实验结果可能与DAMA、 CoGeNT、 CRESST等实验室一致只要考虑到对于银河晕暗物质相对速度和探测器灵敏度的不确定性。

要减少这些不确定性因素意味着要收集更多的数据。而目前CRESST的技术人员正在更换其实验设备以降低干扰水平。Stodolsky博士预计设备的改良将会在两年内见效。而且幸运的是大萨索山的各个实验室也都没有屈服于L’Aquila地震而退缩，所以物理学家们众口一致地探明这宇宙神秘物质的那一天指日可待了。

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感谢译者 tuliply 点击此处阅读双语版