暗物質

有時,追求偉大的發現本身就是一種獎勵

就在來自世界各地的科學家和政治家們於 12 月份辯論如何應對一個具有深遠意義的實際問題——全球氣候變化——之時,另一組國際物理學家正屏息以待一個更為深奧的進展。在這兩種情況下,活動結束後,參與者都感到渴望而又無法滿足。

位於明尼蘇達州蘇丹礦井深處的低溫暗物質搜尋(CDMS)實驗旨在直接探測可能構成已知主導我們星系的暗物質的新基本粒子。12 月初,有傳言開始流傳,稱 CDMS 實驗可能確實看到了訊號。

要理解此類事件的重要性,就需要認識到,科學家們在過去 40 年裡建立了一座宏偉的理論紙牌屋,它可能會因最輕微的不一致資料而倒塌。在 20 世紀 70 年代,來自我們星系自轉觀測的證據開始積累,表明那裡可能存在 10 倍於可見物質的不可見物質。儘管起初對這種物質的世俗解釋——從雪球到行星再到冷氣體——似乎是可能的,但逐漸地,很明顯,這些都無法滿足要求。與此同時,關於大爆炸後最初幾分鐘內預期產生的光元素的丰度的獨立計算表明,如果預測要與觀測結果一致,那麼宇宙根本缺乏足夠的質子和中子來解釋這種暗物質。 


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同樣,關於宇宙膨脹時星系形成的獨立計算機計算表明,只有某種新的物質(不與正常物質發生相互作用)才能儘早坍縮,從而形成我們看到的結構。 

過去 50 年的粒子物理學也促使我們認識到,為了使我們所看到的一切有意義,很可能存在大量新的基本粒子。如果是這樣,理論家們已經確定,熾熱大爆炸的最早時刻可能已經產生了這些粒子,其丰度恰好可以解釋暗物質,並且它們與正常物質的相互作用將足夠弱,以至於今天的望遠鏡無法探測到它們。

受到銀河系暈中的這種新暗物質粒子可能是可以直接探測到的暗示的鼓舞,一群勇敢的實驗學家開始設計技術,以便在遠離大多數宇宙射線的地下深處用探測器觀察它們,宇宙射線會壓倒如此靈敏的感測器。 

當我們 25 年前首次提出這些實驗時,我曾期望在十年內我們會得到答案。但是,最前沿的技術需要時間來構建和開發,而且大自然很少願意透露其秘密。

因此,經過一代人的期待,當物理學界聽到有關 CDMS 實驗探測到某些東西的傳言時,我們就像在觀看披頭士樂隊重聚演唱會一樣收聽了線上公告。如果您像我一樣是一名理論家,那麼想象大自然實際上可能會遵守您在深夜在廢紙上或在電腦螢幕前開發的精細理論和異想天開的想法,這是一種不真實的感覺。

然而,實際的公告令人失望:在將近一年的時間裡,只探測到兩個脈衝,它們可能是由暗物質引起的。不幸的是,事件是由背景放射性引起的可能性也約為 25%。 
我承認當時感到失望,但幾個月後,更容易重拾視角。一年之內,更大的探測器將啟動,它們可能仍會證實目前的暗示是真實訊號。此外,如果碰撞能在歐洲核子研究中心的強子對撞機中產生假想粒子,那麼這些粒子也可能被探測到。

如果這些實驗成功,結果不會產生更好的烤麵包機,也不會解決氣候變化問題。但這將為人類想象力的力量提供非凡的證明,再加上嚴謹的邏輯和技術訣竅,揭示甚至在半個世紀前都無法想象的隱藏世界。如果不是這樣,我們都將不得不更加努力地解決暗物質之謎。新的挑戰帶來新的靈感,這也不是一件壞事。

勞倫斯·M·克勞斯是地球與空間探索學院和物理系的基金會教授,以及亞利桑那州立大學起源專案的首任主任。他撰寫了多部暢銷書,併為國家出版物、廣播和電視撰寫評論,他還就科學和公共政策廣泛發表演講。克勞斯擁有一個獨特的榮譽,即獲得了美國三大物理學會的最高獎項。在他的業餘時間,他曾與克利夫蘭管弦樂團合作演出《行星組曲》,並擔任聖丹斯電影節評委。他為《大眾科學》撰寫了許多文章和專欄,並擔任其顧問委員會成員。

更多作者:勞倫斯·M·克勞斯
大眾科學雜誌第 302 卷第 4 期本文最初以“暗物質”為標題發表於《大眾科學雜誌》第 302 卷第 4 期(
doi:10.1038/scientificamerican042010-1L9T0R7maDaqjkUhkzylfp
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