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解開暗物質(zhì)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(zhì)的藝術(shù)表達(dá)
當(dāng)今宇宙學(xué)最大謎團(tuán)之一，暗物質(zhì)的秘密，或有可能即將破解。
2022年7月5日，位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)開始以有史以來最高功率運(yùn)行，全力尋找暗物質(zhì)。
所謂暗物質(zhì)，就是指不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)。由于暗物質(zhì)不會吸收、反射或發(fā)出光，因此無法被看到。人們目前只有透過重力產(chǎn)生的效應(yīng)計(jì)算出暗物質(zhì)的存在。科學(xué)家稱，宇宙構(gòu)成的四分之三以上是暗物質(zhì)。
日內(nèi)瓦的LHC是目前世界上最強(qiáng)大的粒子加速器。為搜尋、破解暗物質(zhì)秘密進(jìn)行的專門升級已經(jīng)完成。如果能夠成功揭示暗物質(zhì)秘密，LHC將迎來誕生以來又一次重大突破。
2012年7月，正是用這臺對撞機(jī)，科學(xué)家們完成了 21 世紀(jì)最重大的發(fā)現(xiàn)之一：希格斯玻色子。
如果沒有這個粒子及其相關(guān)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(如電子和夸克)提供質(zhì)量。
希格斯玻色子因此又被稱為“上帝粒子”，因?yàn)楂@得質(zhì)量的過程被比作宇宙起源時的大爆炸。
圖像來源: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(jī)團(tuán)隊(duì)的一名科學(xué)家
什么是暗物質(zhì) ？
暗物質(zhì)占我們宇宙構(gòu)成的80% - 85%，但人類至今仍不清楚它究竟是什么，甚至不知道它由什么組成。
1937年，天文學(xué)家扎維奇(Fritz Zwicky)發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動速度，然而星系的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出萬有引力公式計(jì)算出的結(jié)果，這表明除了人類已知的星系團(tuán)核心物質(zhì)對星系的引力外，還存在其他引力。
天文學(xué)家進(jìn)一步推斷，在人類已知的宇宙物質(zhì)之外，還有另外一種物質(zhì)存在。科學(xué)家認(rèn)為這種物質(zhì)就是暗物質(zhì)。
之所以稱之為暗物質(zhì)，是因?yàn)樗c光沒有相互作用，因此人看不到它，英國粒子物理學(xué)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(zhì)團(tuán)隊(duì)的一名關(guān)鍵成員。
到目前為止，科學(xué)家們只觀察到暗物質(zhì)的間接證據(jù)，但仍無法對暗物質(zhì)粒子進(jìn)行直接、明確、具體的探測。
現(xiàn)在有幾種理論可以推測暗物質(zhì)粒子可能是什么樣子，其中被普遍認(rèn)為最可能的一種是WIMP，即大質(zhì)量弱相互作用粒子。
根據(jù)這個理論，這種粒子只通過弱核力和引力產(chǎn)生相互作用，與普通粒子相比質(zhì)量較大。之所以最看好它，主要因?yàn)椋?/p>
•不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到;
•不參與強(qiáng)核力作用，因此基本上與普通物質(zhì)不發(fā)生相互作用;
•質(zhì)量較大，因此運(yùn)動速度相對緩慢，因而聚集成團(tuán)。
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LHC 對撞機(jī)長 27公里，可以將粒子加速到接近光速。
尋找暗物質(zhì)
探測暗物質(zhì)是當(dāng)代粒子物理和天體物理學(xué)的熱門領(lǐng)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并相互碰撞，擊出新粒子，“創(chuàng)造”出暗物質(zhì)粒子。
歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)執(zhí)行的就是這個任務(wù)。它是目前世界上最大的強(qiáng)子對撞機(jī)。參照宇宙大爆炸理論，LHC的對撞試驗(yàn)有可能創(chuàng)造出與宇宙大爆炸之后萬億分之一秒時的狀態(tài)，而這種能量極高的碰撞會產(chǎn)生包括暗物質(zhì)粒子在內(nèi)的異常粒子。
LHC是目前世界上為數(shù)極少的具備探測暗物質(zhì)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(zhì)粒子和原子核碰撞產(chǎn)生的信號。這些信號很弱，因此實(shí)驗(yàn)室設(shè)在地下深處，以此把背景干擾降到最低。
直接探測是目前采用最多的方式之一，主要采用低溫探測或惰性液體探測技術(shù)，探測目標(biāo)以大質(zhì)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(shí)驗(yàn)室。
間接探測主要是通過地面或太空望遠(yuǎn)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(chǎn)生的其他粒子。
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2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的LHC對撞機(jī)內(nèi)部
“創(chuàng)造”暗物質(zhì)
歐洲核子研究中心過去幾年一直在升級LHC，使它更強(qiáng)大，數(shù)據(jù)分析能力更強(qiáng)。
LHC消耗的能量巨大，每年使用的電力足夠?yàn)橐粋€有30萬戶家庭的城鎮(zhèn)供電。
使用的部分能量用于將質(zhì)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(chǎn)生的碰撞將創(chuàng)歷史紀(jì)錄。
另外，還調(diào)整了質(zhì)子在探測器內(nèi)碰撞的交叉角度，增加啦兩個質(zhì)子相互作用的可能性，由此增加了可供分析的數(shù)據(jù)量。
