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| 人類第一次繪制出—— 21世紀(jì)初科學(xué)最大的謎之一是暗物質(zhì)和暗能量。它們的存在，向全世界的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。 暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。如圖是一張科學(xué)家最新繪制的關(guān)于暗物質(zhì)的三維分布圖，它令人信服地證明，暗物質(zhì)是恒星和星系所賴以架構(gòu)的框架。 “如果沒有暗物質(zhì)的存在，宇宙就不會以今天的形式呈現(xiàn)在我們面前”，繪制這張圖的美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)教授Richard Massey說。Richard Massey認(rèn)為，在大爆炸結(jié)束后，暗物質(zhì)像框架一樣既把星系維系在一起，同時又為普通物質(zhì)提供結(jié)構(gòu)空間。 |
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| 垂直巖石覆蓋達(dá)2500米的世界最深、中國首個極深地下實(shí)驗(yàn)室——“中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”近日在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用。楊杰 攝 |
編者按
我國首個極深地下實(shí)驗(yàn)室——“中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”近日在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是目前世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室。它的建成標(biāo)志著中國已經(jīng)擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺，能夠自主開展像暗物質(zhì)探測這樣的國際最前沿的基礎(chǔ)研究課題。
據(jù)悉,由清華大學(xué)、四川大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、南開大學(xué)和二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司參與的中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作組已將一組探測器安裝在“中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”中,開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究工作。
今天，讓我們來看看“暗物質(zhì)”到底是什么東西。
暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質(zhì)含量，它們既不發(fā)光也不吸收光，而我們可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的10%不到。中微子和黑洞是現(xiàn)在已經(jīng)知道的兩種暗物質(zhì)，但其對暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)非常微小，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚，其本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎。
幾十年前，科學(xué)家提出暗物質(zhì)理論，現(xiàn)在科學(xué)界已接受暗物質(zhì)是宇宙的重要組成部分的觀點(diǎn)，并認(rèn)為是暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。
地下實(shí)驗(yàn)室在隧道里
在建設(shè)二灘水電站過程中，四川錦屏山底曾修建了18公里可以通行汽車的隧道，上面是2500多米厚的山體巖石。這里將成為研究所成立后首個實(shí)驗(yàn)的開展地，專門“搜捕”暗物質(zhì)。目前這里是世界上最優(yōu)越的探測暗物質(zhì)的環(huán)境。
之所以稱之為最優(yōu)，據(jù)上海交通大學(xué)物理系主任、粒子物理宇宙學(xué)研究所所長季向東介紹，該實(shí)驗(yàn)室利用的是當(dāng)?shù)亟ㄋ娬緯r修的地下隧道，在其側(cè)面開挖長40米，寬、高各為6米的空間。因而與國外一些“脫胎”于礦井的地下實(shí)驗(yàn)室相比，使用更為便利，不必坐著電梯上上下下，乘坐汽車就能“入地”。而埋深2500米的隧道，更是難得，因?yàn)槁竦迷缴?，宇宙射線的干擾就越少。
“地下工作”并無不適
“從地面上開車大概20分鐘，就能到達(dá)地下實(shí)驗(yàn)室。”上海交通大學(xué)粒子物理宇宙學(xué)研究所特別研究員倪凱旋還記得第一次“入地”的感覺。戴上安全帽、穿著硬底鞋，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，入眼是各種儀器設(shè)備。“那里四季恒溫，冬暖夏涼，不需要用空調(diào)。唯一與地面實(shí)驗(yàn)室不同的是，那里沒有窗戶，刮風(fēng)下雨絲毫感覺不到，進(jìn)去久了也容易讓人搞不清外界是白天還是黑夜。”
“地下工作”時間久了，人是否會有不適？“地下實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)備很好，絲毫不會感到氣悶，人在下面呆個半天，不會有任何異樣的感覺。”倪凱旋說，一旦儀器運(yùn)行穩(wěn)定后，他只需在地面上的辦公室監(jiān)控探測器運(yùn)行即可，而地下實(shí)驗(yàn)室的所有數(shù)據(jù)也會傳送至地面，因而，科研人員無需24小時“守”著探測器。
“捉拿”暗物質(zhì)很不易
讓不少人難以理解的是，暗物質(zhì)在宇宙中，科學(xué)家為啥要“鉆”到地下去探測呢？這是因?yàn)榘滴镔|(zhì)是種頗有“個性”的粒子，它質(zhì)量很大，但作用力卻微乎其微。
“每天可能有幾萬億個暗物質(zhì)穿過你的身體，但你卻感受不到，這是因?yàn)榘滴镔|(zhì)的散射截面很小。”倪凱旋打了一個比方，就像一只足球能被球網(wǎng)擋住，但是一個小鐵球就能穿網(wǎng)而過，就是因?yàn)樗慕孛姹惹蚓W(wǎng)的網(wǎng)格小。
如何“網(wǎng)”住暗物質(zhì)？科學(xué)家們也想了很多辦法。
最初的辦法是天文觀測法，但是，卻無法解答“暗物質(zhì)是什么”。后來，人們又采取間接探測和直接探測的辦法。前者，是探測暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生的普通物質(zhì)粒子信號，一般通過地面或太空望遠(yuǎn)鏡探測；后者，則是用原子核與暗物質(zhì)碰撞，探測碰撞產(chǎn)生的信號。而在地面上，因?yàn)橛钪嫔渚€眾多，這些信號會對直接探測產(chǎn)生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實(shí)驗(yàn)室可以幫助探測器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。
兩個實(shí)驗(yàn)組確認(rèn)入駐
錦屏山的地下實(shí)驗(yàn)室是我國首個地下暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)室。它建成后，可以為我國科學(xué)家挑戰(zhàn)世界級科研難題提供舞臺。到目前為止，上海交大、清華兩個實(shí)驗(yàn)組已確認(rèn)將入駐地下實(shí)驗(yàn)室。兩個實(shí)驗(yàn)組的探測方式并不相同。交大將使用液氙探測器在此開展暗物質(zhì)的直接探測，清華將采用低溫半導(dǎo)體開展探測。
至于探測到暗物質(zhì)之后能派上什么用場，這對科研人員來說，仍是未知數(shù)。“粒子物理探求的是物質(zhì)最深層次的奧秘，對未來的生活會發(fā)生怎樣的影響，我們現(xiàn)在還不得而知。就像電被發(fā)明時，人們尚無法想象后來的電視、電腦。但無論如何，每一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)都使人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識更進(jìn)一步，這是最了不起的事。”季向東說。（據(jù)中央電視臺等報道）
背景資料
暗物質(zhì)的前世今生
暗物質(zhì)，英文名稱：dark matter，定義為：由天文觀測推斷存在于宇宙中的不發(fā)光物質(zhì)，由不發(fā)光天體、暈物質(zhì)以及非重子中性粒子組成。
暗物質(zhì)（包括暗能量）被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質(zhì)含量，而我們可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的10%不到(約5％左右)。諾貝爾獎獲得者李政道更是認(rèn)為其占了宇宙質(zhì)量的99%。暗物質(zhì)無法直接觀測得到，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到?？茖W(xué)家曾對暗物質(zhì)的特性提出了多種假設(shè)，但直到目前還沒有得到充分的證明。
最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的科學(xué)家是美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基。大約65年前，他第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當(dāng)時，弗里茨·茲威基發(fā)現(xiàn)大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，但是到上世紀(jì)80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)已被廣為接受了。
暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎。
