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尋找暗物質的努力一直毫無所獲，但科學家沒有停下腳步，2016年，他們將在意大利格蘭薩索國家實驗室開始新一輪的嚐試。
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XENON1T實驗中所用的光電倍增管會記錄下暗物質粒子和氙原子碰撞時產生的光。 ; n" b: v6 C2 y. h6 `. Q% u( |6 Z
2 b* N* r* H6 O! X （文章來源：環球科學） 1 P7 }+ I( b; ]! Q' q. }! C
暗物質在宇宙中似乎無處不在，但物理學家對其性質卻知之甚少。很多物理學家認為暗物質是由大質量弱相互作用粒子(weakly interacting massive particle，簡稱WIMP)組成的。如今檢驗這個最流行的暗物質理論的機會已經到來。迄今為止最大的尋找大質量弱相互作用粒子的實驗將於今年在意大利格蘭薩索國家實驗室(Gran Sasso National Laboratory)進行，項目名為XENON1T。 % b' _6 x" ^9 Z- {0 @/ e
從上世紀80年代開始，類似的探測器就前赴後繼地尋找暗物質，可惜都沒能成功。現在，XENON1T將承擔同樣的使命。假如未來幾年內物理學家沒能在XENON1T中找到這種神秘的粒子，那他們將不得不拋棄現在的主流理論，嚐試更加新奇的解釋。拉斐爾·蘭(Rafael Lang)是美國普渡大學(Purdue University)的物理學家，也在XENON1T工作，他說，“XENON1T足以用來檢驗目前最好的那些模型。假如我們沒能找到大質量弱相互作用粒子，那肯定是模型完全錯了，我們就得回到白板前從頭推導。”
% s- r" H5 G$ N+ l1 b. p! E1 t a 大質量弱相互作用粒子是超弦理論的一個預測。超弦理論是粒子物理標準模型的推廣，該理論認為宇宙中每個已知的粒子都有一個對應的夥伴粒子，而大質量弱相互作用粒子就是這些夥伴粒子中最輕的。物理學家很喜歡這種假設，因為大質量弱相互作用粒子總量的理論預測值剛好和暗物質總量差不多。暗物質約占宇宙質量的84%，這可以由其產生的引力大小測算出來。關於大質量弱相互作用粒子的很多模型都已經被證明是錯誤的，因為之前的實驗中沒有找到支持這些模型的證據。盡管如此，科學家還是希望剩下的幾個模型有正確的可能。
^2 C/ Z7 j, g4 \1 M# a XENON1T的實驗裝置位於1400米深的地下，內部有一個裝有3500千克液態氙的巨大柱形水槽。液態氙的一個特點是，它的原子在受到擾動時會發光。暗物質粒子和氙原子核碰撞會產生獨特的能量信號，科學家希望捕捉到這一小概率事件。盡管暗物質被認為數量眾多——每平方厘米每秒有約100000個暗物質粒子飛過，但它幾乎從不與正常物質發生作用，所以人們只能通過引力確認它的存在。假如在XENON1T計劃的兩年研究時間中，可以檢測到哪怕10個滿足暗物質粒子特征的粒子，就足以堪稱是偉大的發現。 + `" [3 _) Z1 d" C& u1 h
技術人員正在準備實驗所用的時間投影室(Time Projection Chamber)，時間投影室內部存有氙，外部纏繞著銅線以產生均勻磁場。 3 q0 ^) o9 R2 J1 S! |0 ?2 ]
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4 p* r1 n) C& H1 n: j 這個項目耗資1500萬美元，由10個國家共同資助。在這之前還有一個同樣的實驗，只不過現在的規模是原來的25倍。新的XENON實驗配置了更大的水槽，以及升級後的用於屏蔽非暗物質粒子的護罩。和之前的實驗相比，新XENON可以在啟動後的兩天內超越原來的測量精度。啟動數周後，XENON1T的測量精度將會超過目前最好的暗物質實驗——位於美國南達科他州、使用了370千克液態氙的大型地下氙實驗(Large Underground Xenon，LUX)。美國加利福尼亞大學歐文分校的蒂姆·泰特(Tim Tait，未參與此項研究)說：“假如XENON1T實驗發現了前幾代實驗都沒有找到的(粒子)，我一點都不會感到驚訝。” 2 G+ F* ]& x. ]- ]! |% I
其實現在，大質量弱相互作用粒子也可能出現在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)內。在大型強子對撞機內，質子會以接近光速的速度對撞，科學家期冀從中找到新粒子。2015年，大型強子對撞機開始了第二輪實驗，所用能量為2009年剛投入使用時的近兩倍。現在的能量應該足以產生那些可以被XENON1T檢測到的大質量弱相互作用粒子。 W: F3 |$ E' r' {4 w
要是接下來幾年，XENON1T和LHC都沒能找到這種暗物質粒子，那麼理論物理學家可能就不得不換個方向去探索暗物質的物理原理了。泰特說：“一方面，我們知道暗物質肯定存在，但另一方面，除此以外我們對它一無所知。所以在理論上我們可以很方便地嚐試各種假設。假如我們沒能找到大質量弱相互作用粒子，那可能說明，暗物質比我們原先猜測的還要詭異。
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發表於 2016-4-14 18:23:30