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宇宙奧秘:尋找暗物質——歐洲大型強子對撞機再啟動

An artistic impression of deep space and dark matter

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解開暗物質的秘密,將極大加深我們對宇宙的了解。圖為宇宙空間和暗物質的藝術表達

當今宇宙學最大謎團之一,暗物質的秘密,或有可能即將破解。

2022年7月5日,位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)開始以有史以來最高功率運行,全力尋找暗物質。

所謂暗物質,就是指不與電磁力產生作用的物質。由於暗物質不會吸收、反射或發出光,因此無法被看到。人們目前只有透過重力產生的效應計算出暗物質的存在。科學家稱,宇宙構成的四分之三以上是暗物質。

日內瓦的LHC是目前世界上最強大的粒子加速器。為搜尋、破解暗物質秘密進行的專門升級已經完成。如果能夠成功揭示暗物質秘密,LHC將迎來誕生以來又一次重大突破。

2012年7月,正是用這台對撞機,科學家們完成了 21 世紀最重大的發現之一:希格斯玻色子。

如果沒有這個粒子及其相關的能量場,我們所知宇宙的一切都不存在。希格斯場為其他基本粒子(如電子和誇克)提供質量。

希格斯玻色子因此又被稱為「上帝粒子」,因為獲得質量的過程被比作宇宙起源時的大爆炸。

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克拉拉·奈利斯特(Dr Clara Nellist)博士是瑞士歐洲核子研究中心 LHC 對撞機團隊的一名科學家。

Clara Nellist
奈利斯特(Dr Clara Nellist)博士是瑞士歐洲核子研究中心 LHC 對撞機團隊的一名科學家

什麼是暗物質

暗物質佔我們宇宙構成的80% – 85%,但人類至今仍不清楚它究竟是什麼,甚至不知道它由什麼組成。

1937年,天文學家扎維奇(Fritz Zwicky)發現,大型星系團中的星系具有極高的運動速度,然而星系的運行速度遠遠超出萬有引力公式計算出的結果,這表明除了人類已知的星系團核心物質對星系的引力外,還存在其他引力。

天文學家進一步推斷,在人類已知的宇宙物質之外,還有另外一種物質存在。科學家認為這種物質就是暗物質。

之所以稱之為暗物質,是因為它與光沒有相互作用,因此人看不到它,英國粒子物理學家克拉拉·奈利斯特(Clara Nellist)博士解釋說。奈利斯特博士是LHC 搜尋暗物質團隊的一名關鍵成員。

到目前為止,科學家們只觀察到暗物質的間接證據,但仍無法對暗物質粒子進行直接、明確、具體的探測。

現在有幾種理論可以推測暗物質粒子可能是什麼樣子,其中被普遍認為最可能的一種是WIMP,即大質量弱相互作用粒子。

根據這個理論,這種粒子只通過弱核力和引力產生相互作用,與普通粒子相比質量較大。之所以最看好它,主要因為:

•不參與電磁力作用,因此無法被直接探測到;

•不參與強核力作用,因此基本上與普通物質不發生相互作用;

•質量較大,因此運動速度相對緩慢,因而聚集成團。

隧道裏的 LHC 局部

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LHC 對撞機長 27公里,可以將粒子加速到接近光速。

尋找暗物質

探測暗物質是當代粒子物理和天體物理學的熱門領域,主要有三種方式: 加速器探測、直接探測和間接探測。

加速器探測是把粒子加速到極高能段並相互碰撞,擊出新粒子,「創造」出暗物質粒子。

歐洲大型強子對撞機執行的就是這個任務。它是目前世界上最大的強子對撞機。參照宇宙大爆炸理論,LHC的對撞試驗有可能創造出與宇宙大爆炸之後萬億分之一秒時的狀態,而這種能量極高的碰撞會產生包括暗物質粒子在內的異常粒子。

LHC是目前世界上為數極少的具備探測暗物質粒子所需能量的加速器之一。

直接探測法是指直接探測來自宇宙間的暗物質粒子和原子核碰撞產生的信號。這些信號很弱,因此實驗室設在地下深處,以此把背景干擾降到最低。

直接探測是目前採用最多的方式之一,主要採用低溫探測或惰性液體探測技術,探測目標以大質量弱相互作用粒子(WIMP)為主。

美國、加拿大、意大利和英國都有這類地下探測實驗室。

間接探測主要是通過地面或太空望遠鏡探測這種粒子在星系中心、太陽中心或者地球中心湮滅而產生的其他粒子。

LHC

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2012年發現希格斯玻色子的LHC對撞機內部

「創造」暗物質

歐洲核子研究中心過去幾年一直在升級LHC,使它更強大,數據分析能力更強。

LHC消耗的能量巨大,每年使用的電力足夠為一個有30萬戶家庭的城鎮供電。

使用的部分能量用於將質子加速到接近光速,這樣,它們碰撞時會分裂成更小的粒子。

奈利斯特介紹說,LHC的兩次主要升級使它具有更高的能量,產生的碰撞將創歷史紀錄。

另外,還調整了質子在探測器內碰撞的交叉角度,增加啦兩個質子相互作用的可能性,由此增加了可供分析的數據量。

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