暗物质到底在哪？这个大家伙或能揭开真相

XENON1T实验中所用的光电倍增管会记录下暗物质粒子和氙原子碰撞时产生的光。

寻找暗物质的努力一直毫无所获,但科学家没有停下脚步,2016年,他们将在意大利格兰萨索国家实验室开始新一轮的尝试。

暗物质在宇宙中似乎无处不在,但物理学家对其性质却知之甚少。很多物理学家认为暗物质是由大质量弱相互作用粒子(eakly interacting massive particle,简称WIMP)组成的。如今检验这个最流行的暗物质理论的机会已经到来。迄今为止最大的寻找大质量弱相互作用粒子的实验将于今年在意大利格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory)进行,项目名为XENON1T。

从上世纪80年代开始,类似的探测器就前赴后继地寻找暗物质,可惜都没能成功。现在,XENON1T将承担同样的使命。假如未来几年内物理学家没能在XENON1T中找到这种神秘的粒子,那他们将不得不抛弃现在的主流理论,尝试更加新奇的解释。拉斐尔兰(Rafael Lang)是美国普渡大学(Purdue University)的物理学家,也在XENON1T工作,他说,XENON1T足以用来检验目前最好的那些模型。假如我们没能找到大质量弱相互作用粒子,那肯定是模型完全错了,我们就得回到白板前从头推导。

大质量弱相互作用粒子是超弦理论的一个预测。超弦理论是粒子物理标准模型的推广,该理论认为宇宙中每个已知的粒子都有一个对应的伙伴粒子,而大质量弱相互作用粒子就是这些伙伴粒子中最轻的。物理学家很喜欢这种假设,因为大质量弱相互作用粒子总量的理论预测值刚好和暗物质总量差不多。暗物质约占宇宙质量的84%,这可以由其产生的引力大小测算出来。关于大质量弱相互作用粒子的很多模型都已经被证明是错误的,因为之前的实验中没有找到支持这些模型的证据。尽管如此,科学家还是希望剩下的几个模型有正确的可能。

XENON1T的实验装置位于1400米深的地下,内部有一个装有3500千克液态氙的巨大柱形水槽。液态氙的一个特点是,它的原子在受到扰动时会发光。暗物质粒子和氙原子核碰撞会产生独特的能量信号,科学家希望捕捉到这一小概率事件。尽管暗物质被认为数量众多每平方厘米每秒有约100000个暗物质粒子飞过,但它几乎从不与正常物质发生作用,所以人们只能通过引力确认它的存在。假如在XENON1T计划的两年研究时间中,可以检测到哪怕10个满足暗物质粒子特征的粒子,就足以堪称是伟大的发现。

技术人员正在准备实验所用的时间投影室(Time Projection Chamber),时间投影室内部存有氙,外部缠绕着铜线以产生均匀磁场。