暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”
暗物質(zhì)到底是什么？為什么科學家們要上天入地苦苦追尋暗物質(zhì)？8月20日，上海書展分會場科學會堂舉辦了一場人氣爆棚的講座，上?？茀f(xié)大講壇邀請了三位重量級主講科學家——中科院院士、上海交通大學天文與天體物理中心主任景益鵬院士；中科院紫金山天文臺的副臺長、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學家常進教授；上海市粒子物理和宇宙學重點實驗室主任季向東教授；為廣大市民詳釋神秘的暗物質(zhì)。
中科院紫金山天文臺的副臺長、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學家常進教授發(fā)言。
主宰著世界的暗物質(zhì)到底是什么？
20世紀，科學家發(fā)現(xiàn)宇宙在不斷膨脹，并發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，通過宇宙微波背景輻射，科學家推出了宇宙的年齡、能量密度和膨脹速度。問題在于，如果沒有一類新粒子，其引力效應比已知粒子的引力效應大，那么宇宙就進步不成現(xiàn)在的樣子?？茖W家們就把這種還沒發(fā)現(xiàn)的粒子叫做“暗物質(zhì)”，暗物質(zhì)不發(fā)射光子、不吸收不散射光子，也不參與電磁作用，人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應感受它的存在。
季向東教授介紹：“宇宙當中可見物質(zhì)占宇宙總能量5%，暗物質(zhì)占了27%。所以從某種意義上講，暗物質(zhì)統(tǒng)治主宰了整個宇宙。我們可以確定的是暗物質(zhì)的壽命一定很長，超過宇宙的壽命。世界許多理論物理學家提出了各種不同的理論，目前最主流的力量，將暗物質(zhì)視作弱相互作用重粒子，叫WIMPS。弱相互作用是四大相互作用之一，李政道和楊振寧就是因為研究它而獲得諾貝爾獎。”
“暗物質(zhì)和普通物質(zhì)幾乎沒有相互的作用，所以穿透力出奇的強。一個暗物質(zhì)粒子，可以在地球的這一端，很輕松跑到地球另一端，也可以很輕松地穿過太陽。因此暗物質(zhì)是不可能用個瓶子來裝起來的?！奔鞠驏|教授打趣道，如果有人要賣給你暗物質(zhì)，可千萬別相信。
暗物質(zhì)有多大呢？根據(jù)目前理論，大概每平方厘米每秒鐘，可能有上億個粒子?！熬褪乾F(xiàn)在每秒鐘、每平方米中，穿透你的暗物質(zhì)粒子大概有上億甚至上百億。如果暗物質(zhì)粒子跟普通物質(zhì)沒有相互作用的話，我們永遠沒有辦法來感知它的存在。我們只有通過天文學，通過引力來探測暗物質(zhì)的存在，但是我們沒有可能在實驗室當中來進行研究?！?br>
第一是模擬宇宙大爆炸，利用大型強子對撞機，把粒子加速再讓它們相撞，模擬宇宙大爆炸之初的樣子，看看能否撞出什么東西來，也許有助于發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。至今科學家用這一方法還未有發(fā)現(xiàn)。
第一種方法 “科普中國” 圖
第二種方式是直接探測?！霸S多理論家認為，暗物質(zhì)很有可能有弱相互作用，因為弱相互作用，暗物質(zhì)粒子就會與物體上的原子發(fā)生碰撞，我們就可以通過武力手段觀測被撞飛的原子?！奔鞠驏|說，“這一方法像‘守株待兔’，希望暗物質(zhì)粒子能撞到我們身上?！?br>
所謂“上天入地探尋暗物質(zhì)”，這第二種直接探測法就是“入地”。季向東教授進一步說明，由于暗物質(zhì)粒子與普通粒子碰撞發(fā)出的信號極其微弱，想要聽到這樣的信號，必須在一個非常安靜的地方?！熬秃帽饶悴粫隰[市區(qū)聽音樂，我們則要逃到地底下去，越往下干擾越少。每往地下延伸1000米，宇宙射線的干擾就減少10倍?？茖W家就在地下挖一大坑，將精密儀器放在坑底探測?！?br>
第二種方式 “科普中國” 圖
目前，世界上巖石覆蓋最深的實驗室就是中國四川錦屏地下實驗室。錦屏地下實驗室就藏身于錦屏山腹部的隧道中部，垂直巖石覆蓋達2400米。與其相比，位于意大利中部格蘭薩索山區(qū)的歐洲地下試驗室就像個游戲室。在川藏群山下，粒子物理學家最頭痛的宇宙射線的強度僅為格蘭薩索山區(qū)的1/200，為實驗提供了“干凈”的環(huán)境。
錦屏地下實驗室二期工程施工現(xiàn)場。圖片來自網(wǎng)絡
錦屏地下實驗室示意圖。圖片來自網(wǎng)絡
講完“入地”講“上天”，“上天”就是目前第三種探測暗物質(zhì)的方式——空間間接探測?！鞍滴镔|(zhì)本身不可見，但它產(chǎn)生的一些粒子是可見的，通過探測這些可見的粒子，去間接推測或探測暗物質(zhì)粒子，所以這叫間接法?！背＿M教授解釋。
為什么科學家們要上天入地苦苦追尋暗物質(zhì)？
第三種探測暗物質(zhì)的方式。 “科普中國” 圖
“由于暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變能產(chǎn)生伽瑪射線、宇宙射線、中微子等人類可以觀測的粒子，科學家找到了探測暗物質(zhì)的契機。中國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，要在太空中高精度測量伽瑪射線、宇宙射線的能譜以及空間分布，以此來間接尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)?！?br>
“悟空”作為我國第一顆空間高能粒子探測器，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星擁有很多中國獨有的技術。比如探測器最核心的組成部分——BGO量能器，既能測量粒子能量、又能區(qū)分粒子種類。量能器的BGO晶體，此前世界范圍內(nèi)最長只有30厘米，而中科院上海硅酸鹽所成功研制生產(chǎn)出60厘米晶體。BGO量能器數(shù)據(jù)讀出的動態(tài)范圍，也是同類型探測器中最大的。
按照原定計劃，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星上天之后主要進行巡天觀測，即望遠鏡背對地球，對太空進行比較均勻的掃描觀測，長時期積累數(shù)據(jù)。如果2年巡天后發(fā)現(xiàn)某些天區(qū)有值得深入挖掘的信息，那時衛(wèi)星的觀測模式將進行調(diào)整，由巡天觀測轉(zhuǎn)入定點觀測模式，對一些重點區(qū)域進行更充分的觀測。
常進教授說，今年3月，科研人員對已經(jīng)上天的“悟空”進行了測評，各項指標都達到標準。“如果指標評定是100分，‘悟空’就獲得了100分?，F(xiàn)在的情況，大約每秒有10萬個高能粒子打到衛(wèi)星上，把大部分過濾掉后，‘悟空’選擇100多個高能粒子傳輸?shù)降孛?，這是能量測量的情況?？梢姽夤庾拥哪芰看蠹s是1電子伏特。而暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星對電子宇宙射線的探測有望超過10萬億電子伏特，鑒別粒子的本領很強。目前，‘悟空’每天探測500萬粒子?！?br>
那么“上天”和“入地”這兩個探測方法哪個更好一些？常進教授向聽眾們解釋：“由于還沒有弄清楚暗物質(zhì)粒子的物理性，所以沒有辦法判斷哪種方法好?！奔鞠驏|教授補充：“兩種方法探測的是不同的東西，暗物質(zhì)是超出我們想象的東西，只能說我們都在各自的領域中尋找各自的解釋?！?br>
“無論是地下的實驗還是天上的探測，都是極其復雜的兩個科學探索實驗。但毫無疑問，在直接、間接探測方面，中國已經(jīng)走在了世界的前沿，這點是非常讓人興奮的?！本耙纟i院士說道。
景益鵬院士說，常有人問他人們?yōu)槭裁匆嗫嘧穼ぐ滴镔|(zhì)：“簡單地說，就是根據(jù)現(xiàn)在的各種物理學理論，我們需要暗物質(zhì)。宇宙137億年的演化，暗物質(zhì)起了決定性的作用。如果沒有暗物質(zhì)的存在，現(xiàn)在的整個銀河系、太陽系就不是目前的樣子。一年前出現(xiàn)相對論、量子力學，所有人都認為沒有用，但一百年后的今天，你手機里所有的芯片、電腦、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明都源于一百年的理論。也許一百年后你的生活從早到晚全是暗物質(zhì)。”
從大爆炸開始，宇宙已經(jīng)存在了137億年，而人類文明史不過3000-5000年；整個宇宙中有上千億的銀河系，而太陽只是我們所在銀河系里的一顆恒星?！盁o論從時間還是空間角度上看，人類都是微不足道的。但是人類值得引以為豪的特點是會思考。近代科學發(fā)展至今不過幾百年，卻已經(jīng)把世界的規(guī)律摸索得這么清楚，很難找到什么東西是不能吻合現(xiàn)行的運作標準模型，暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)還將直接證實標準宇宙學模型的正確性。暗物質(zhì)決定了我們的過去，決定了我們的未來?！奔鞠驏|教授認為，暗物質(zhì)這個謎團，是對人類智慧的最終挑戰(zhàn)。
現(xiàn)階段找不到暗物質(zhì)是不是就代表了失??？季向東教授說，不能這樣看。“過去15年，我們的探測靈敏度增加了3、4個數(shù)量級，這本身就是一個巨大的進步。探測器好比是一架飛機，目前所搜了整個太平洋，接下來的10-15年，搜索的范圍會更廣、靈敏度還會提高，還會催生新的領域，”季向東教授強調(diào)，零的結(jié)果不是沒有意義，相反意義很大，“在探索宇宙未知的同時，我們留下了巨大的福音?！?br>
在講座的尾聲，季向東教授發(fā)出感嘆：“在過去幾百年的物理、化學發(fā)展史上，幾乎沒有中國人的貢獻，在教科書中都是牛頓、愛因斯坦這樣的西方人名字。如今人類已經(jīng)把許多謎團解開，現(xiàn)在剩下最后一些保留，在暗物質(zhì)領域，我們希望一百年、二百年后，能在教科書中出現(xiàn)中國人的名字?，F(xiàn)在機會就在我們眼前，不能再錯過?！?
