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氙氣Xe-揭秘英國地下800米處暗物質(zhì)搜尋實驗室
2011-10-30 14:14:49
揭秘英國地下800米處暗物質(zhì)搜尋實驗室
新浪科技 2011-1-25 10:08:27
天體粒子物理學(xué)家帕維爾·馬耶夫斯基走進被塑料布包裹的ZEPLIN-III探測器
波爾比鉀鹽礦位于約克郡荒野北部邊緣地帶，實驗室座落于地下0.68英里(約合1.09公里)處
北京時間1月25日消息，一組天體粒子物理學(xué)家正在位于英國約克郡地下超過半英里(約合804米)的實驗室搜尋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)非常神秘，一直就是最大的宇宙謎團之一，即使參加這項實驗的科學(xué)家也不確定暗物質(zhì)是否真實存在或者最終能否發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)。3月，實驗結(jié)果將浮出水面，如果如愿以償?shù)匕l(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)將徹底改變科學(xué)界的面貌。
實驗室位于地下深處
搭乘一個漆黑一片的狹窄貫籠，感受氣流在身邊迅速穿過，經(jīng)過6分半的下降之旅，你便來到這個地下實驗室。實驗室最深處與地面的距離超過0.5英里，位于北約克郡荒野地下，溫度達到40攝氏度。如果出現(xiàn)任何差錯，你將困在充滿水的巖層下方，深度達到33名智利礦工被困礦井的兩倍。慶幸的是，這些礦工最終成功獲救。
當(dāng)然了，在冬季的早晨，搭乘貫籠進入波爾比鉀鹽礦的科學(xué)家并沒有這種擔(dān)憂。如果有此擔(dān)憂，他們無疑選錯了地方。為了成功完成尋找和研究暗物質(zhì)的這項工作，他們只能進入地下深處，防止遭到轟擊地球表面的宇宙射線和輻射的影響。
他們身穿橙色連體工裝，佩戴護脛，腳蹬安全靴，頭戴安全帽，帽子上裝有照明燈，身上還綁著一條大帶子，同時配備必需的自救設(shè)備 (緊急呼吸器)。雖然從裝扮上看，他們與礦工并無差異，實際上，他們的真實身份是物理學(xué)家，進入礦井的目的并不是為了尋找這座礦井的主產(chǎn)品——鉀鹽和巖鹽，而是尋找更為難于捉摸的暗物質(zhì)。迄今為止，還沒有人證明暗物質(zhì)真實存在。
在礦井的底部，礦工朝著一個方向——朝向礦井一面——前進，科學(xué)家則朝著另一個方向前進，穿過一條長地道向地下前進。礦井的這部分呈蜂窩結(jié)構(gòu)，地道的總長度超過600英里(約合965公里)。只要不想到上方的巖石和水，你不會得幽閉恐怖癥。地道內(nèi)又高有寬，可并排容納兩輛路虎汽車。據(jù)一名煤礦礦工透露，由于地道主要是在巖鹽礦脈中挖掘，封閉的速度較為緩慢。這里的溫度較為適度，礦井內(nèi)的鹽就在嘴邊，呼吸的空氣能夠感覺到鹽的氣息。
兩個主實驗室
科學(xué)家爬進一輛使用柴油機的路虎，其在制造上能夠在地下使用時保證消防安全。在前行了800碼(約合731米)后，他們將車停在旁邊的一個小地道內(nèi)。這條地道通往一個采用膠合板結(jié)構(gòu)的簡易交流區(qū)。來自上方的壓力導(dǎo)致這里開始出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)正等待重建。
在交流區(qū)暫作休息，喝一杯咖啡之后，他們沿著一條狹窄的通道繼續(xù)向下前進，進入一個更衣區(qū)。在這里，他們換上干凈的靴子和帽子，穿上一次性拉鏈式白色連體工裝。地下實驗室一定要保持潔凈，這也就是為什么他們在進入前就換上干凈的工作服。此外，他們還要穿過一個封閉的真空吸塵裝置，吸掉身上的每一粒塵土。形象地說，就如同洗了一個澡。完成這些準備工作之后，他們才可以進入實驗室。
這個地下實驗室并不起眼，長300英尺(約合91米)，墻壁采用紫紅色防火涂料，看上去有點恐怖。頂部是滑行裝置，用于兩噸重的起重機運送重型設(shè)備，墻邊擺著大量測量設(shè)備、電腦顯示器、表盤、電線和儀表。中央是兩個主實驗儀器，表面上體現(xiàn)不出它們的重要性。它們將幫助科學(xué)家揭開宇宙的一個最大謎團。
其中一個實驗儀器主要由一個巨大的盒子構(gòu)成，體積70立方英尺(約合2立方米)，外面包裹著難看的透明聚丙烯塑料布，看起來似乎是最近才運到實驗室的，上沒來得及拆封。另一個實驗設(shè)備也是一個立方體，現(xiàn)已被大卸八塊，來自加利福尼亞州的一名教授正對其進行維修。這個設(shè)備由一系列框架構(gòu)成，好似一個雞蛋切片機，它的電線很細，細到讓人不敢近距離觀察，唯恐一不小心摔倒，壓壞這個造價數(shù)千英鎊的設(shè)備。
這兩個實驗儀器一個是暗物質(zhì)探測器，被稱之為“ZEPLIN-III”，另一個是暗物質(zhì)望遠鏡，被稱之為“DRIFT-II”，它們均在與時間賽跑，尋找在宇宙中占據(jù)重要位置的暗物質(zhì)?？茖W(xué)家認為暗物質(zhì)在宇宙的比重高達80%以上?！?
進氣系統(tǒng)，確保超純氙氣供應(yīng)
研究小組在臨時餐室暫作停留，而后穿上工作服進入實驗室
礦用卡車搭載液態(tài)氮，開往實驗室
可能一無所獲
在科學(xué)界，尋找暗物質(zhì)是眾多物理學(xué)家為之奮斗的目標，發(fā)現(xiàn)者的名字將被永遠載入史冊，與牛頓和愛因斯坦齊名。但令人感到備受挫折的是，這種物質(zhì)非常神秘，參與這一項目的科學(xué)家中沒有一個人確切知道暗物質(zhì)是否真實存在。
歐洲核子研究組織耗資60億英鎊(約合96億美元)的大型強子對撞機座落于瑞士，尋找暗物質(zhì)也是這一龐大項目的目標之一。此外，美國和歐洲的其他一系列項目也將尋找暗物質(zhì)作為一個重要目標。英國此次尋找暗物質(zhì)的努力一年的費用不到100萬英鎊(約合160萬美元)。
加利福尼亞州教授斯諾登·伊夫特從洛杉磯的西方學(xué)院飛到英國，進入地下實驗室修理暗物質(zhì)望遠鏡。他表示：“我真的不知道我正在尋找的這種粒子是否真實存在。我們可能只是白費心機，根本找不到暗物質(zhì)?！?/div>
如何成功發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)呢?ZEPLIN-III項目負責(zé)人、倫敦帝國學(xué)院講師亨里克·阿勞霍博士表示：“如果能夠發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，我們將最終解答物理學(xué)上的一個重大疑問。”伊夫特教授臉上的笑容告訴我們，尋找暗物質(zhì)的努力最終徒勞無功的可能性并不像他開玩笑時說的那么小。在他眼里，這是一個最令人興奮的科學(xué)研究領(lǐng)域。對于此次尋找暗物質(zhì)的嘗試，公眾最關(guān)心的莫過于結(jié)果——究竟是如愿以償?shù)匕l(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)還是發(fā)現(xiàn)其他物質(zhì)。
他說：“在發(fā)明熒光燈之前，沒有人知道發(fā)現(xiàn)等離子體發(fā)出的光線意味著什么。在創(chuàng)立量子力學(xué)理論時，科學(xué)家最初認為這是一項完全無用的理論。但突然間，他們發(fā)現(xiàn)全世界的每一臺電腦都立基于這一理論。”在這個地下實驗室，伊夫特用外行人能夠聽得懂的話解釋尋找暗物質(zhì)的重要性。他說：“雖然發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的可能性很小，但發(fā)現(xiàn)的意義非常重大，要知道，暗物質(zhì)在宇宙質(zhì)量中的比重高達85%?！?/div>
質(zhì)量失蹤問題
我們已經(jīng)知道其他15%由什么物質(zhì)構(gòu)成。我們的身體、我們的家、我們的行星，所有我們能夠看到和觸摸到的一切都由普通物質(zhì)構(gòu)成。物質(zhì)是引力之源，由原子構(gòu)成，電子繞著原子核運動，產(chǎn)生一個電磁場。在浩瀚的宇宙，在恒星之間漆黑一片的空間，可能還存在另一種物質(zhì)——暗物質(zhì)。不僅僅在太空，地球上也可能存在暗物質(zhì)，雖然數(shù)量較少，在閱讀這段文字時，每秒將有100萬暗物質(zhì)粒子穿過你的小指。之所以被稱之為暗物質(zhì)是因為這種物質(zhì)不會發(fā)射光線同時也不可見。暗物質(zhì)沒有電磁場，這也就意味著幾乎無法借助任何常規(guī)科學(xué)測量設(shè)備探測到它們的存在。
我們何時發(fā)現(xiàn)可能存在暗物質(zhì)?直到上世紀30年代，還沒有人得出這一發(fā)現(xiàn)。1933年，加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇提出了一項非常引人注目的暗物質(zhì)存在理論。但幾十年來，很少有科學(xué)家相信暗物質(zhì)存在的可能性。
扎維奇提出的謎題必須通過研究星系質(zhì)量加以解答。星系質(zhì)量計算通常采用兩種方式，一種是測量星系的旋轉(zhuǎn)速度，星系旋轉(zhuǎn)速度越快，所擁有的質(zhì)量越大;另一種是根據(jù)星系的亮度進行估計，也就是估計星系的恒星數(shù)量。在對后發(fā)座星系團進行研究時，扎維奇發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象。他利用維里定理計算后發(fā)座星系團的真實質(zhì)量，所得出的質(zhì)量卻是視覺觀測下的大約400倍。這種現(xiàn)象被稱之為“質(zhì)量失蹤問題”。
什么物質(zhì)導(dǎo)致如此巨大的差異?答案可能就是暗物質(zhì)。直到上世紀70年代，扎維奇的理論才得到證實。當(dāng)時，年輕的美國天文學(xué)家維拉·魯賓利用其對螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度的觀測數(shù)據(jù)得出同樣的結(jié)論。我們能夠觀察到的星系區(qū)域——明亮區(qū)——所擁有的質(zhì)量似乎只占星系總質(zhì)量很少的一部分，余下的質(zhì)量一定存在于我們無法觀察到的暗區(qū)。
分析暗物質(zhì)探測器獲取的數(shù)據(jù)
謝菲爾德大學(xué)的馬克·派普為DRIFT-II探測器實施“手術(shù)”。這個探測器是世界上最靈敏的暗物質(zhì)望遠鏡
液態(tài)氮用于冷卻ZEPLIN-III探測器中的“靶子”
費用政府買單
此次科學(xué)競賽旨在率先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在。35年來，沒有一個人成功做到這一點，這項任務(wù)難度之大我們可想而知。伊夫特表示：“全世界大約有300位科學(xué)家一直在搜尋暗物質(zhì)，這是一項非常艱巨的任務(wù)。參與這項工作的人就像著了魔一樣研制探測設(shè)備，探測自己認為中的暗物質(zhì)。但這種探測具有極大的不確定性，可能一無所獲。”
在難于進入的地下深處進行暗物質(zhì)研究是一個最基本的要求，這種要求也提高了搜尋暗物質(zhì)的難度。阿勞霍指出，科學(xué)家在礦井內(nèi)進行研究并不會遭遇危險或者患上幽閉恐懼癥，真正讓他們感受頭疼的是地下研究并不十分便利。他說：“第一周，所有人都喜歡這里，恐懼心理很快煙消云散。但便利性仍舊是一大挑戰(zhàn)?！?/div>
首先，進入礦井并非易事。科學(xué)家要沿著一條沿岸環(huán)路駛往懷特比北部地區(qū)，有時還會遭遇降雪，而后花一兩個小時佩戴各種裝備，下降到礦井，隨后還要換裝，最后進入實驗室。這里的工作環(huán)境十分惡劣。空氣中的鹽可能讓電氣設(shè)備陷入混亂，任何體積超過70立方英尺(約合2立方米)的設(shè)備都無法借助起重機運進礦井。由于搜尋暗物質(zhì)項目本身的特殊性，所進行的實驗在幾個月甚至最后結(jié)束時可能不會得出任何令人興奮的發(fā)現(xiàn)。
雖然一些工作可以借助計算機遠程完成，但設(shè)備的維護和修理工作還是要親歷親為，這是不可避免的。除了校準機械裝置和檢查是否出現(xiàn)生銹、破損和裂縫外，工作人員還要定期使用300升液態(tài)氮保持ZEPLIN-III內(nèi)的氙氣處于液態(tài)。氙氣從俄羅斯進口，每公斤1萬英鎊(約合1.6萬美元)。實驗室每年的運營成本為30萬英鎊(約合48萬美元)，主要是工作人員的工資、電費和設(shè)備維護費用，由英國政府買單。
靈敏度就是一切
對于暗物質(zhì)到底是什么，科學(xué)家意見不一。一些科學(xué)家認為，暗物質(zhì)可能是由暈族大質(zhì)量致密天體構(gòu)成，這種物質(zhì)可能來自于黑洞。上世紀70年代，意大利科學(xué)家指出暗物質(zhì)可能由axions粒子構(gòu)成，axions以一種洗衣粉的名字命名。也有人認為，存在暗物質(zhì)不過是一種幻想，星系出現(xiàn)“質(zhì)量失蹤問題”的真正原因只能說明牛頓物理學(xué)定律存在缺陷。
當(dāng)前有關(guān)暗物質(zhì)的最流行理論是，這種物質(zhì)由大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)構(gòu)成。之所以取這個名字是因為暗物質(zhì)據(jù)信會與正常物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但這種情況非常罕見。世界各地的大量實驗都圍繞這一理論展開，波爾比礦井內(nèi)進行的實驗便是其中最為先進的一個。阿勞霍表示：“這是一項競爭激烈的競賽，我們是有望獲取勝利的主要選手之一?！?/div>
如果按照國際標準，這座地下實驗室是使用零星資金建造的，雖然事實如此，但阿勞霍和他的國際粒子物理學(xué)家小組——來自倫敦、迪高特、愛丁堡、葡萄牙和莫斯科的研究實驗室——卻操作著世界上最為靈敏的探測設(shè)備。在這場尋找暗物質(zhì)的競賽中，靈敏度就是一切。
阿勞霍解釋說：“在6個月的實驗中，我們預(yù)計自己的實驗只能探測到少量暗物質(zhì)事件。但在相同的時間內(nèi)，我們卻可以探測到數(shù)百萬次背景輻射事件，來自于探測設(shè)備和實驗室墻壁的痕量放射能，來自于能夠穿透到這一地下深度的少量宇宙射線。毫無疑問，探測設(shè)備的靈敏度越高，所能消除的背景噪音越多，也就越有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)?！?/div>
這也就是為什么ZEPLIN-III探測器被包裹上保護性材料。外層的聚丙烯塑料在設(shè)計上用于幫助消除中子，周圍厚厚的鉛殼則用于消除伽馬射線。探測器內(nèi)部的“靶子”由12公斤純液態(tài)氙構(gòu)成，一旦核心受到粒子轟擊便會發(fā)生反應(yīng)。無論什么時候，只要發(fā)生反應(yīng)便會產(chǎn)生閃光(由光子傳感器記錄)和電荷，后者在懸于液態(tài)氙“靶子”上方薄薄的氙氣層中測量。通過測量光脈沖與電荷尺寸的比率，波爾比的研究小組能夠確定所探測到的“事件”是否是一次罕見而令人極度興奮的WIMP交互作用，或者只是一次令人沮喪的伽馬射線穿過?！ ?
這座科學(xué)實驗室的主廳
參與這一項目的科學(xué)家中沒有一個人確切知道暗物質(zhì)是否真實存在
不管誰獲得勝利，都將名垂青史并斬獲諾貝爾獎
截至春初，波爾比研究小組將確定他們能否得出令人信服的發(fā)現(xiàn)，即在世界上第一次探測到暗物質(zhì)的存在?！傲钊诵欧狈浅Ｖ匾?，因為他們必須說服自己，同時還要說服這一研究領(lǐng)域心存懷疑的其他競爭對手。這些競爭對手中有的位于加拿大，有的位于南達科他州，有的則位于意大利大薩索山地下，其中包括他們的主要競爭對手——XENON 100暗物質(zhì)搜尋實驗。XENON項目組最近的一次實驗在2010年9月進行，未能發(fā)現(xiàn)令人信服的暗物質(zhì)存在證據(jù)，這讓波爾比項目組長長地舒了一口氣。
出生于波蘭的ZEPLIN-III項目負責(zé)人帕維爾·馬耶夫斯基博士指出：“實際上，我們沒必要期盼競爭對手遭遇失敗，因為發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的最終受益對象是整個科學(xué)界，而不單單是個人。此外，他們使用的是與我們類似的探測設(shè)備，如果他們能夠取得成功，說明我們也有成功機會。這是一個競爭激烈的研究領(lǐng)域，不管誰獲得勝利，都將名垂青史并斬獲諾貝爾獎。如果失敗降臨到其他團隊而不是自己團隊身上，你同樣會感到非常失望?！?/div>
如果失敗，我們需要制造一臺更大的探測器
現(xiàn)在，波爾比礦井內(nèi)的科學(xué)家正朝著實現(xiàn)這一夢想的道路前進。ZEPLIN-III探測器的靈敏度是ZEPLIN-II的10倍，ZEPLIN-II的靈敏度大約也是Mark I的10倍。借助于這種高靈敏探測設(shè)備，科學(xué)家距離發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)自然更近一步。在打開探測器并在3月進行最終測量時，實驗結(jié)果將浮出水面。如果ZEPLIN-III能夠記錄10次事件并證明這些事件并非背景輻射的結(jié)果，研究小組便取得勝利。波爾比實驗室資深科學(xué)家和設(shè)施負責(zé)人肖恩·帕林表示：“這里的每一個人都認為，我們已經(jīng)處在上演重大發(fā)現(xiàn)的邊緣。雖然沒有一個人觀測到非背景輻射事件，但我們可能已經(jīng)進入上演這種發(fā)現(xiàn)的時刻?！?/div>
在波爾比的實驗中，沒有人愿意猜測成功發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的幾率。由于遭受失敗的可能性極高，實驗室的空氣中彌漫著緊張的氣氛。DRIFT-II主要由美國大學(xué)資助，研究小組希望這個探測器至少可以安全使用3年。ZEPLIN-III的資金將于3月陷入枯竭，政府部門和贊助者——科學(xué)與技術(shù)設(shè)施理事會需要為之提供更多資金。
ZEPLIN-III項目組操作著世界上最靈敏的探測器，在進行旨在尋找暗物質(zhì)的實驗中，他們自然處于有利位置，成功發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的幾率高于其他研究團隊。面對這種極富挑戰(zhàn)的實驗，我們不得不問如果失敗了怎么辦?伊夫特對此表示：“如果失敗，我們需要制造一臺更大的探測器，繼續(xù)進行這種實驗。”
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