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科學家擬將尋找暗物質實驗轉入地下2000米進行

上一篇 / 下一篇 2010-08-09 12:21:14

暗物質實驗或將轉移至加拿大安大略省薩德伯裏市的SNOLAB地下設施內進行

性能得到增強的新型探測器應該可以提升發現大質量弱相互作用粒子的可能性

美宇航局“費米”太空望遠鏡尚未發現暗物質相撞的證據

科學家正尋求將尋找暗物質的地下實驗轉移至更深的地點進行，因為經過地球的宇宙射線可以完全覆蓋地下實驗尋找的暗物質事件。研究人員希望在尋找暗物質的過程中盡量消除宇宙射線的幹擾，即便這意味著要將實驗移至地下2000米的深處進行。

探測粒子相互作用

在地下2000米處進行實驗，可以幫助科學家確切識別形成暗物質的粒子。作為低溫暗物質搜尋II(簡稱CDMSII)計劃的團隊成員，美國雪城大學的馬雷克-科斯(Marek Kos)博士在法國巴黎召開的高能粒子國際大會(ICHEP)上簡要描述了該計劃的實施情況。他說，實驗地點可能會從美國明尼蘇達州的一個礦井轉移到加拿大安大略省一個更深的設施內進行。

我們肉眼可以看到的物質占宇宙物質總量的17%，而剩余83%則是“暗”物質，也就是說，它們不反射或釋放科學儀器能夠探測到的光。不過，科學家可以通過暗物質施加給發光星系和恒星的引力推測這種神秘物質的存在。雖然科學家不清楚暗物質的具體成分，但目前流行的一個理論認為，暗物質是由大質量弱相互作用粒子(Weakly Interacting Massive Particles，簡稱WIMPs)構成的。

這種理論的支持者認為，每一秒都有大量大質量弱相互作用粒子從地球經過。然而，由于它們與正常物質的相互作用非常微弱，科學家難以發現這種粒子的蹤迹。像低溫暗物質搜尋II的實驗項目希望利用探測器測量粒子的大規模互動，發現大質量弱相互作用粒子引起的此類互動。低溫暗物質搜尋II實驗在極低的溫度下進行，用以探測粒子撞擊探測器內的鍺矽晶體原子時釋放的能量。

減輕宇宙射線影響

低溫暗物質搜尋II實驗設施目前安放在明尼蘇達州蘇丹礦井內，實驗在地下2341英尺(約合714米)處進行。而最初，實驗則是在斯坦福大學校園內的一個隧道內實施。科斯對此表示：“如果我們在蘇丹礦井的實驗再次取得成功，我們計劃在更深的地方進行實驗──加拿大安大略省薩德伯裏市的 SNOLAB地下設施。”

“這相當于是6000米的水下──這一數據被用于將其與別的實驗進行比較，但實際情況卻是地下約2000米處。”在這種深度下進行實驗有助于減少宇宙射線μ介子的背景信號。只有將實驗地點轉移到更深的地下，才能減輕這種影響。2009年，一些研究小組報告說，他們發現了可能來自于暗物質粒子的兩個信號，這在當時的科學界引發了巨大轟動。

但是，在發表于美國《科學》雜志的一篇論文中，他們又報告稱，根據統計數據，這些信號源于大質量弱相互作用粒子的可能性很低。科斯在接受英國廣播公司采訪時表示：“我們剛一看到時，對那些事件持質疑態度。發現大質量弱相互作用粒子是個重大事件，你必須確保觀測到正確的東西。”

探測器越大越好

科學家目前正將經過升級的探測設備安裝到蘇丹礦井中。科斯說：“我們制造了更大的探測器，其中一些已經安裝在地下開始運行。”這些新設備將幫助排除假陽性信號。它們可以發現兩類粒子的相互作用：反沖電子和核反沖。撞擊探測器的大質量弱相互作用粒子有望産生核反沖。但是，某些反沖電子看上去與核反沖很相像──這些被科學家稱為“表面事件”。

按照設計，新探測器更善于將大質量弱相互作用粒子與“表面事件”區分開來。科斯博士表示，團隊成員迫切希望新探測設備可以在今年秋天以前全部安裝完畢，但迄今尚未有一個確切的時間表。與此同時，其他幾個實驗也正加入到尋找這些粒子信號的國際努力中，例如大型地下氙(LUX)實驗。

同低溫暗物質搜尋計劃一樣，這個實驗旨在直接探測大質量弱相互作用粒子，只不過使用不同的技術，並且在美國南達科他州的霍姆斯塔克礦井內進行。另外，美宇航局“費米”太空望遠鏡正采用不同的方法試圖鎖定暗物質蹤影。它將尋找太空中暗物質“湮滅”的證據。

當兩個大質量弱相互作用粒子相撞，産生伽馬射線，就會發生湮滅事件。像“費米”太空望遠鏡攜帶的探測器就能捕捉到這些伽馬射線。但是，參與這項研究的羅伯特-約翰遜博士在高能粒子國際大會發言時表示，他們尚未發現此類事件的證據。