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暗物质到底是什么?

到地下去揭示太空的秘密

三角裤

日期: 2016年7月31日
来源:
魏茨曼直接第3卷第1期

如果你发现宇宙中有一大块不见了,你会怎么做?这或多或少是上世纪70年代发生的事情,当时一位名叫维拉·鲁宾(Vera Rubin)的美国天文学家注意到,预测的星系在空间中摇摆的运动与实际观测到的运动之间存在差异。

为了使鲁宾博士的观测结果与万有引力定律相一致,科学家们提出,存在“缺失的”质量不可见的粒子,它们具有足够的引力将星系拉到一起。这些被称为“暗物质”的粒子被认为构成了已知宇宙中高达80%的质量,从那时起,这些难以捉摸的粒子就一直在和科学家们玩猫捉老鼠的游戏。

“暗物质很难找到,因为它与光或物质的相互作用非常微弱,”粒子物理和天体物理系的Ranny Budnik博士说。“传统的工具——比如基于辐射和相互作用模式来描述粒子特征的加速器——在研究暗物质时可能会失效。这就是为什么作为实验主义者,我们必须想出一些完全不同的东西。”

布德尼克博士是魏茨曼研究所(Weizmann Institute)一个团队的负责人,该团队在意大利的一个实验室帮助设计了一项实验,来自20个机构的科学家希望在那里发现暗物质存在的第一个直接证据。令人惊讶的是,该设施位于地下1.4公里处。

“为了识别暗物质的相互作用,我们需要将我们的设备与更强的信号隔离开来,这些信号会淹没我们的探测器,”布德尼克博士解释道。“我们的星球在宇宙中的航行使它处于与高水平宇宙辐射的碰撞过程中,这些辐射不仅会轰击表面,还会穿透坚硬的岩石。地球以每秒200公里的速度不断地穿过暗物质粒子“风”,但大多数粒子与我们擦肩而过,根本没有相互作用。关键是要探测到与我们的探测器相互作用的稀有粒子,并测量它们的属性。只有到那时,才有可能开始了解暗物质到底是什么。”

那么我们对暗物质了解多少呢?不近的还远远不够。研究人员只是同意暗物质不包括在标准模型中。标准模型是由粒子组成的“俱乐部”,主要是质子、中子和电子,物理学家依靠这个“俱乐部”来解释世界是什么以及是什么将世界维系在一起。这个谜题的重要性使得像布德尼克博士这样的实验家竭尽全力去捕捉活动中的暗物质。

在地下实验室的深处,科学家们设置了一个直径10米的水箱。这个容器里面是真正的探测器,由氙制成,氙是一种稀有气体,在极低的温度下保持在液态。“与氙的相互作用产生光,并释放电子——这是我们能够测量的,因为它发生在几乎所有其他辐射都被过滤掉的环境中,”Budnik博士说。“即使我们只获得少量‘点击量’,这也将是非常重要的。”

布德尼克博士经常前往意大利,并期待着今年晚些时候开始的一系列新实验。他说:“我们最新的装置以一个更大的探测器为特色,这意味着我们将能够以更快的速度收集更多的暗物质数据。”“揭开暗物质的本质——如果我们能做到的话——将是粒子物理学和宇宙学的一场革命。”这就是我想去那里的原因。”

上图:人们在洁净室的设备上工作的XENON1T TPC由XENON合作提供

Budnik博士的研究得到了Yeda Sela基础研究中心和Olga Klein Astrachan Estate的支持。

//www.drugmoneyart.com/particle/content/ran-budnik

博士Ranny Budnik

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