北京時(shí)間 10 月 18 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，XENONnT 暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)位于地表以下 1400 米的巨大實(shí)驗(yàn)室，利用多達(dá)數(shù)噸的液態(tài)氙和一系列精密的實(shí)驗(yàn)儀器來搜尋神秘的暗物質(zhì)。
▲ 在這張照片的中心可以看到圓柱形“時(shí)間投影室”的底部。這個(gè)中心腔室內(nèi)部點(diǎn)綴著 120 個(gè)金色的“眼睛”，它們能接收由亞原子粒子（中子）引起的相互作用所發(fā)出的光
瑞士蘇黎世大學(xué)的高級(jí)研究員米歇爾?加洛韋正是這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的參與者。她通常開車去上班，途中會(huì)經(jīng)過一條隧道，然后進(jìn)入一座山的內(nèi)部。在實(shí)驗(yàn)設(shè)施的入口處，警衛(wèi)會(huì)問她要一個(gè)秘密密碼，“然后，這扇巖石中的大門就打開了，就像詹姆斯?邦德電影里的場景，這超級(jí)酷”。
大門的后面是意大利的格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室。這是世界上最大的地下實(shí)驗(yàn)室，位于地表以下 1400 米深處。在亞平寧山脈的巖石中，人們建造了如同洞穴般的大廳，里面的一臺(tái)先進(jìn)機(jī)器或許將改變我們對(duì)整個(gè)宇宙的理解。
通過 XENONnT 實(shí)驗(yàn)，加洛韋和她的同事們希望達(dá)成一個(gè)目標(biāo)：確定暗物質(zhì)究竟是由什么組成的。暗物質(zhì)是指不與電磁力發(fā)生作用的物質(zhì)，即不會(huì)吸收、反射或發(fā)出光。科學(xué)家推測，暗物質(zhì)約占宇宙總質(zhì)量的 85%；它們能彎曲光線，將星系維系在一起，防止其彼此分離 —— 物理學(xué)家正是從諸如此類的引力效應(yīng)得知，宇宙中存在著大量暗物質(zhì)。
其余 15% 的宇宙質(zhì)量 —— 從無數(shù)的恒星、行星到組成人體的細(xì)胞 —— 都可以被納入標(biāo)準(zhǔn)模型，科學(xué)家通過這一理論描述了所有已知的基本物質(zhì)粒子。
暗物質(zhì)給科學(xué)家們提出了一個(gè)難題，因?yàn)樗环蠘?biāo)準(zhǔn)模型。一個(gè)被稱為超對(duì)稱理論的觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙中存在著許多難以探測的粒子與我們已知的粒子相互作用?！叭绻覀兡馨l(fā)現(xiàn)支持超對(duì)稱性的一些證據(jù)，那就將為我們提供擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型的方法，”加洛韋解釋道。
▲ 一位工人小心翼翼地在外部探測室的地板上踱步，他穿著特殊的實(shí)驗(yàn)服，可以避免污染設(shè)備。主探測器位于上方白布后面。操作時(shí)，整個(gè)空間都充滿了水
加洛韋等研究者希望借助 8.6 噸液態(tài)氙來揭開暗物質(zhì)粒子之謎。氙是一種惰性氣體，有時(shí)被用作全身麻醉劑。加洛韋指出，這種氣體極其罕見，所以價(jià)格十分昂貴。該團(tuán)隊(duì)上一次購買時(shí)，其價(jià)格大約是每升 12 歐元。按這個(gè)價(jià)格計(jì)算，8.6 噸液態(tài)氙將花費(fèi) 1700 萬歐元左右。不過，這些液態(tài)氙是分批購買的，而且可以回收利用。
大約有 5 噸保持在零下 100 攝氏度的液態(tài)氙會(huì)被泵入探測器的時(shí)間投影室（time projection chamber，簡稱 TPC），這是探測器三個(gè)腔室中最小的一個(gè)，最近剛剛進(jìn)行了大規(guī)模升級(jí)。時(shí)間投影室可以利用粒子徑跡產(chǎn)生電離電子的漂移時(shí)間和漂移方向的投影位置，確定徑跡的三維坐標(biāo)。在 XENONnT 實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間投影室被設(shè)計(jì)用來接收穿越地球的暗物質(zhì)粒子的微弱信號(hào)。研究小組希望探測到的一種理論候選粒子是“大質(zhì)量弱相互作用粒子”，簡稱 WIMP。加洛韋表示，XENONnT 應(yīng)該可以有效地捕捉穿越宇宙的“大質(zhì)量弱相互作用粒子風(fēng)”。
如果它按計(jì)劃工作，WIMP 將進(jìn)入圓柱形的時(shí)間投影室，撞擊氙原子的原子核，導(dǎo)致少量的光逃逸。在這個(gè)“核反沖”事件中，一些電子也會(huì)從氙中釋放出來；它們會(huì)到達(dá)時(shí)間投影室的頂部，在與一層氙氣體相互作用時(shí)發(fā)射出更多的光信號(hào)。
問題是，盡管實(shí)驗(yàn)中使用的光探測器可以探測到所有的物理相互作用，包括背景放射性，但這并不是暗物質(zhì)存在的證據(jù)。不過，通過精確定位發(fā)光事件的位置，研究小組可以精確繪制出它們發(fā)生的位置。如果適當(dāng)能量水平上的多種相互作用就發(fā)生在時(shí)間投影室的中心，即液態(tài)氙的中間，那研究人員就可以確定這些信號(hào)是由弱相互作用粒子引起的。
在這樣的實(shí)驗(yàn)中，消除噪聲信號(hào)是科學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)之一。氙必須不斷凈化，以便從探測器的材料中提取出自然積累在液態(tài)氙中的物質(zhì)。兩個(gè)外部腔室中充滿了特殊的鹽溶液，會(huì)減慢那些干擾 WIMP 探測的粒子的速度，這些外部腔室中額外的光敏裝置也可以探測到與 WIMP 無關(guān)的相互作用，從而將這些無關(guān)的信號(hào)剔除掉。想象一下，在風(fēng)聲呼嘯的森林里，如果想聽到一只小鳥微弱的叫聲，那你就需要屏蔽周圍的噪音，并且非常仔細(xì)地聽，才會(huì)獲得更好的結(jié)果。
當(dāng)然，暗物質(zhì)也有可能根本就不是由 WIMP 組成的；它可能混合了不同的粒子，也可能是完全超出人類想象的東西。但無論如何，XENONnT 實(shí)驗(yàn)應(yīng)該會(huì)讓我們更接近這個(gè)問題的答案。至少，這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目再次提醒了我們：人類對(duì)宇宙的了解依然是如此的少?！熬退阍谖业挠猩?，我們?nèi)圆恢腊滴镔|(zhì)是什么，”加羅韋說，“但我認(rèn)為，它還是為我們提供了一個(gè)特殊的視角。”
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