11月5日，國際“暗物質(zhì)日”北京站活動在中國科技館舉行。劉捷/攝
中科院高能所陳和生院士報告“尋找宇宙魅影-暗物質(zhì)”。 劉捷/攝
清華大學(xué)岳騫副教授報告“深地暗物質(zhì)探測”。劉捷/攝
從大氣層之外的遙遠(yuǎn)太空，到巖石覆蓋的極深地下，人類制造出的靈敏探測器，正晝夜不歇地守候著一個特殊的獵物。
這些泛著金屬冷光的復(fù)雜機器，造價正變得越來越高昂，有不少體型也越來越龐大。但神秘的獵物，可能還從未現(xiàn)身。
對手藏在黑暗中。人類不僅不知道它的身份，甚至連它是否存在都無法完全確認(rèn)。對于這個被稱為“暗物質(zhì)”的獵物，人類唯一能做的，就是在“森林”中埋下誘捕的網(wǎng)，將網(wǎng)編得越來越密、越來越大。
“哪怕世界上最頂尖的物理學(xué)家，也不知道它究竟是什么?！?1月5日，在中國科技館舉行的首屆國際“暗物質(zhì)日”北京站活動現(xiàn)場，來自中科院高能所的中科院院士、粒子物理學(xué)家陳和生解釋道?！鞍滴镔|(zhì)”這個含糊不清的名詞，暗示著人類對它的無知。
準(zhǔn)備報告前，中科院院士、國家天文臺天體物理學(xué)家武向平，特地上網(wǎng)搜了下“暗物質(zhì)”，許多鬼怪的圖片彈了出來。
他還扒出許多讓他哭笑不得、“傳說”般的新聞報道：往黑洞中添加一點暗物質(zhì)，有可能形成被稱為時空隧道的蟲洞；天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個主要由暗物質(zhì)構(gòu)成的黑暗星系；人們之所以得癌癥，是因為暗物質(zhì)穿透了你的身體……
其實，這種看不見的粒子，每時每刻都在穿過人們的身體。它彌散在我們周圍，在宇宙空間中貢獻(xiàn)著質(zhì)量和引力，卻幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)?？茖W(xué)家推算，宇宙中只有約5%的普通物質(zhì)，還有95%的物質(zhì)是暗物質(zhì)和暗能量，目前不為人類所認(rèn)知。
“盡管我們自己覺得人類很了不起，我們發(fā)明了手機、電腦、電視，現(xiàn)在我們還在講人工智能，但實際上我們對宇宙的了解，還是瞎子摸象，或者說是井底之蛙?，F(xiàn)在人類對宇宙的認(rèn)識，就好比哥白尼的日心學(xué)說被認(rèn)識之前?！?1歲的陳和生站在臺上強調(diào)。
在他看來，“物理學(xué)已經(jīng)到了革命的前夜”。暗物質(zhì)和暗能量，這兩片“晴朗天空中的烏云”勢必給科學(xué)界帶來狂風(fēng)暴雨。
隨著越來越多的目光對準(zhǔn)“黑暗”，有學(xué)者預(yù)言，“我們已接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣”。對這一獵物的角逐，也正變得越來越激烈。
天文學(xué)家的“人口普查”
發(fā)現(xiàn)隱身的獵物，首先需要懷疑雙眼所見。
武向平展示了一張衛(wèi)星拍下的地球夜晚照片。在紐約、倫敦、上海等大城市對應(yīng)的小點上，燈光如簇般匯聚。燈光的密集程度，對應(yīng)著人口密度，對不少人來說，這是很自然的聯(lián)想。
“看看照片上的韓國和朝鮮，你會發(fā)現(xiàn)，這種統(tǒng)計方法會漏掉一整個國家。對了，還有幾乎整個非洲?！蔽湎蚱接脴O快的語速解釋，在給宇宙做“人口普查”時，很多天文學(xué)家犯了同樣的錯誤——以為沒有光的地方，就沒有物質(zhì)。
瑞士天文學(xué)家費里茲·茨威基在1933年意識到了這個錯誤。在觀測了幾百個星系組成的集團后，這位被視為天才的科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離星系團中央的星系運動速度太快。根據(jù)速度推算出的星系團質(zhì)量和通過測量光的亮度算出的質(zhì)量不吻合，前者比后者的質(zhì)量多了400倍。
他推測，星系團中一定有看不見的“暗物質(zhì)”，貢獻(xiàn)了引力，提高了星系運動的速度。
過了將近40年，“暗物質(zhì)”這個概念才得到學(xué)界認(rèn)可。美國天文學(xué)家薇拉·魯賓，詳細(xì)觀測了仙女座星系。按照牛頓萬有引力定律，離星系中心距離越遠(yuǎn)，恒星的運動速度應(yīng)當(dāng)越慢。魯賓卻觀測到，這個速度并未如預(yù)期減慢。要么是萬有引力定律錯了，要么是星系中還有不發(fā)光的物質(zhì)。
最直觀的證據(jù)，來自一張記錄兩個星系團“撞車”的照片。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，在巨大天體的引力作用下，光會發(fā)生彎曲。通過測量光的彎曲角度，可以準(zhǔn)確計算出天體質(zhì)量，這一效應(yīng)便是引力透鏡效應(yīng)。
借助這一透鏡，科學(xué)家測出了兩個星系團的質(zhì)量中心，并用X射線觀測出星系團中發(fā)光的熱氣體。將照片處理后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的蹤影。
當(dāng)兩個星系團高速相撞時，用紅色標(biāo)記的氣體大量淤積在碰撞中心，它們遵循原子的運動規(guī)律。用藍(lán)色標(biāo)記的暗物質(zhì)，如幽靈般徑直穿過撞車現(xiàn)場，也穿過彼此。
許多物理學(xué)家和天文學(xué)家逐漸相信，暗物質(zhì)確實存在。它是一團厚厚的“暈”，緊緊地裹著盤狀的星系，讓它們在旋轉(zhuǎn)過程中不至于分崩離析。
科學(xué)家開始布下天羅地網(wǎng)，全力追捕暗物質(zhì)。
天羅地網(wǎng)圍捕暗物質(zhì)
想給暗物質(zhì)畫張肖像，就很不容易。
沒人知道這頭獵物長啥樣，只能通過排除法，一點一點勾勒它的特征：它不發(fā)光、也不反射光；它不參與電磁相互作用，也不帶電；它應(yīng)該是冷的；它難以捕捉，行動速度比56式半自動步槍子彈還快300倍。
粒子物理學(xué)家最認(rèn)可的一張肖像，是“弱相互作用大質(zhì)量粒子”模型，英文縮寫WIMP剛好對應(yīng)“懦夫”這個單詞。與普通的粒子相比，暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量要大很多，它們彼此之間只有引力和弱核力。
為了追捕這個“懦夫”，科學(xué)家使出了各種上天入地的招數(shù)。
在美國南達(dá)科他州，每天早上，數(shù)十名科學(xué)家會乘坐巨大的電梯，向下1500米進(jìn)入一個幽暗的廢棄金礦中。一個試圖直接探測暗物質(zhì)的實驗室，藏在地下迷宮般復(fù)雜的采礦隧道里。
在中國四川雅礱江邊，2400米深的錦屏山下，一個類似的實驗室坐落在穿山隧道中部。不大的空間內(nèi)，一個裝著580千克液氙，裹著黃銅、黑鉛和白色塑料的大金屬罐，便是上海交通大學(xué)“熊貓”團隊用來捕捉暗物質(zhì)的武器。
上海交大粒子與核物理研究所教授劉江來介紹，錦屏地下實驗室探測暗物質(zhì)的原理是“守株待兔”——讓暗物質(zhì)粒子和作為靶子的原子相互碰撞，測量原子核被踢飛出去的信號。根據(jù)反沖能量留下的痕跡，他們可以推斷出暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，以及同普通物質(zhì)的相互作用強度。
這是直接探測暗物質(zhì)最常見的方式，但暗物質(zhì)粒子和普通粒子撞上的概率極低?！懊棵胗?0億個暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體，但每年它撞上我們身體的次數(shù)還不到一次?！痹诘孛嫔希綔y還會受到宇宙射線和伽馬射線的強烈干擾，使得尋找暗物質(zhì)如大海撈針。
為了剔除干擾，探測器必須埋到極深的地下，再穿上幾層厚厚的“盔甲”。
在太空中，科學(xué)家也設(shè)置了捕獵夾。6年前，執(zhí)行最后一次飛行任務(wù)的美國“奮進(jìn)號”航天飛機，將阿爾法磁譜儀送入離地球300多千米的國際空間站。對這臺15個國家科研人員聯(lián)合研發(fā)的儀器來說，尋找暗物質(zhì)是其至關(guān)重要的使命。
中國也在2015年發(fā)射了“悟空號”衛(wèi)星。它是國內(nèi)第一顆暗物質(zhì)衛(wèi)星，也是國內(nèi)第一顆科研衛(wèi)星。衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總工程師范一中介紹，和造價20億美元的阿爾法磁譜儀相比，“悟空號”從設(shè)計之初就講究“經(jīng)濟適用”。
上天尋找暗物質(zhì)，主要依靠暗物質(zhì)粒子間的相互湮滅。根據(jù)目前的理論模型，它們相互作用后可能產(chǎn)生伽馬射線、正電子等高能粒子。如果能找到這些蛛絲馬跡，就能間接證明暗物質(zhì)存在。
另一種搜捕方式恰好相反?？茖W(xué)家并不追蹤暗物質(zhì)的湮滅，而是試圖在實驗室中通過普通粒子來創(chuàng)造它。在瑞士和法國交界處，一臺世界上最龐大的機器掩藏在農(nóng)場和森林之下。
在這臺周長27千米的大型強子對撞機內(nèi)，兩束質(zhì)子沿圓環(huán)被加速到接近光速，并在教堂般大小的探測器內(nèi)相撞?？茖W(xué)家希望，在這臺模擬宇宙大爆炸的機器內(nèi)，碰撞顯示屏上能留下暗物質(zhì)誕生的痕跡。
多年過去了，這臺機器仍然一無所獲。和全世界眾多引人注目、相當(dāng)燒錢的暗物質(zhì)探測項目一樣，在捕捉這個幽靈般的獵物上，它們大多都撲了個空。
關(guān)上不同的門，也是在前進(jìn)
包括阿爾法磁譜儀在內(nèi)的一些項目，宣稱發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)可能的蹤跡。但許多科學(xué)家認(rèn)為，干擾因素?zé)o法排除。
在陳和生看來：“迄今為止，還沒有找到暗物質(zhì)粒子?！?/p>
他拋出另一個難題：即便通過3種實驗之一發(fā)現(xiàn)了WIMP的候選粒子，確認(rèn)它就是宇宙中的暗物質(zhì)也是極為艱巨的工作。3種不同方式的實驗，或至少兩種，必須要相互驗證，確認(rèn)這種粒子存在。
劉江來所在的熊貓團隊，同樣沒窺見暗物質(zhì)的蹤影。
在過去兩年內(nèi)，探測器穩(wěn)定工作約4個月，他們收集了相當(dāng)于54噸液氙曝光一天的數(shù)據(jù)，沒發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)碰撞的信號。
他們希望繼續(xù)提高探測器的靈敏度。原先的金屬罐，只能裝120千克液氙，后來升級到580千克。未來，他們打算升級到4噸、30噸。
除了中國，一些歐美國家也計劃讓探測器變得更大，從而提高靈敏度。劉江來介紹，液氙現(xiàn)在的價格為1萬元每千克，全球每年產(chǎn)量僅60噸。
“目前，探測暗物質(zhì)的競爭非常激烈?！鼻迦A大學(xué)工程物理系副教授岳騫告訴中國青年報·中青在線記者，他所在的CDEX團隊，同樣在錦屏地下實驗室探測暗物質(zhì)。盡管暗物質(zhì)仍然“下落不明”，他卻很有信心，“10年內(nèi)應(yīng)該會找到，而且最有希望的就是地下直接探測項目”。
CDEX團隊和“熊貓”團隊，都計劃將靈敏度再提高1000倍。他們的最終目標(biāo)，是一步步接近極限。
在劉江來眼中，雖然尚未找到暗物質(zhì)，他們的工作依然很有意義?！昂帽仍谡乙粋€筆記本，如果家里只有5個房間，當(dāng)你找到第4個房間時，你會欣喜若狂，因為你知道筆記本一定就在第5個房間。我們在用一個很大的排除法找暗物質(zhì)，關(guān)上不同的門，也是在前進(jìn)?！?/p>
“找到就是非常大的突破，沒找到也可以對理論提出修改?！痹莉q將心態(tài)放得很平和。一些物理學(xué)家不認(rèn)同主流的WIMP模型，也有些物理學(xué)家在嘗試修正牛頓萬有引力定律。
自從2010年回國加入“悟空”團隊后，范一中再也沒出國開過會，也沒回家過過年。他把所有心思，都撲在了這個功耗還不如一臺微波爐的衛(wèi)星上。截至2017年10月28日，這位“大圣”搜集到了34億高能粒子，覆蓋整個天區(qū)3次。
范一中印象很深的是，不久前，諾貝爾物理學(xué)獎公布，引力波探測獲獎。聽到消息的瞬間，他和團隊為獲獎?wù)吖恼?。在這個月或者下個月初，“悟空號”在太空探測2年的結(jié)果，也會面向社會公布?！叭〉帽容^好的成果，我想是指日可待。”范一中有些激動，中國科學(xué)家不會總在為別人鼓掌。
（來源：中國青年報（2017年11月08日 11版），http://zqb.cyol.com/html/2017-11/08/nw.D110000zgqnb_20171108_1-11.htm ）
附件下載：
