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或能揭开中微子之谜,也可能不会

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

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(本文由 Nautilus 授权转载,译/姜Zn)实验科学家有时候是个吃力不讨好的工作。你可能在新闻头条中读过很多关于得出重大发现的实验报道,但是对于那些还没能观测到期望结果的实验者们,他们作出的努力(常常甚至是壮举)你可能知之甚少。

XENON1T装置(图片来源:XENON1T官网)

这些在实验上付出的努力,有些跨越了几十年的时间,凝聚了几代人的劳动和专业知识。毫无成果的研究常常和世人皆知的大发现一样有科学价值:我们能了解到更多知识——自然世界不是什么样的,或者没有什么东西。但是倘若得到了一个正面的结果,则会对我们产生远为深刻的影响:它会改变我们对宇宙的认识,或我们在宇宙中的角色。

XENON1T是一个暗物质探测项目,其装置位于意大利格兰萨索国家实验室的地下1400米处。虽然暗物质粒子尚未现身,但XENON1T却取得了意料之外的发现。在本周《自然》期刊的一项研究中,XENON1T团队发现了迄今为止最为罕见的事件:半衰期长达1.8x1022年,相当于万亿倍宇宙寿命的氙124衰变。这个意外发现,或许能为我们揭开中微子的性质之谜。

以下是7项还在进行中的实验,它们目前都还没有找到想找的答案。但这些实验全都因设计精巧和充满野心而出众,不难想象为什么这些实验能够坚持不懈地持续推进了。

本文转载自环球科学(huanqiukexue)

为了“照亮”暗物质,把一箱液态氙埋到地下

科学家们推论,所有我们能观测到的星系都被宇宙中的某种结构支撑着,而构成这种结构的则是暗物质的“细丝”。环绕着各个星系的暗物质圈提供了额外的引力,使得恒星得以绕着星系的核心旋转。但是我们从未直接探测到过暗物质。过去的几十年里科学家们做出了许多尝试,试图通过暗物质与普通物质间极弱的作用来探测暗物质,但是全都一无所获。

在暗物质的诸多可能的存在形式中,所谓的弱作用重粒子(WIMP)对于粒子物理学家是比较可信的形式之一。LUX(“大型地下氙实验”)的实验场所的前身是一处矿井,位于美国南达科他州的地下1510米处;它给暗物质探测实验设立了相当高的标准。LUX由大约三分之一吨的液态氙和探测器组成。它被密封在一个装有72000吨高纯度水的容器中,水的作用是过滤掉有干扰性的宇宙射线。环绕在液态氙周围的探测器极其灵敏,能够捕捉到暗物质与哪怕一个氙原子碰撞所放出的微弱光线。

由于LUX没能探测到暗物质,科学家们计划对它进行升级——升级后的LUX-Zeplin实验会使用约20倍于LUX的液氙量。至于LUX-Zeplin能否有LUX没能取得的发现,目前仍未可知。大自然似乎有着嘲弄科学家的梦想和希望的嗜好。

撰文 | 张华

为了(真正)看清宇宙大爆炸残留的引力波,钻研各种频率

引力波是电磁辐射的引力版。宇宙大爆炸时期形成的引力波(原初引力波)理应会在宇宙微波背景中留下独特的痕迹;宇宙微波背景则是宇宙大爆炸所残留的辐射,而大爆炸形成了我们身处的可观测的宇宙。这种引力波的痕迹在温度和偏振上会有细微的波动,它可以为我们提供宇宙在中性氢刚刚形成的特定时期的简要情报——那时宇宙只有379000岁。这种痕迹应该会有一种旋转的偏振模式,学名叫“B模偏振”。

宇宙泛星系偏振背景成像(BICEP)和凯克天文望远镜阵列(Keck Array)的合作实验在2014年宣布一个激动人心的消息:他们探测到了这种B模偏振。然而,他们探测到的B模偏振的源头实际上只是很普通的东西,原本以为是原初引力波,其实则是极化了的尘埃颗粒。在银道坐标系的高纬度地区,如果量足够大,这些尘埃可以产生类似于引力波的B模偏振的旋转模式。

BICEP和凯克的合作团队并没有气馁。他们升级了配置:BICEP3由大约2500个探测器(又叫做“辐射热测量计”)组成,比起它的前身,BICEP3可以探测低得多的宇宙微波背景的频率。历代不同版本的BICEP已经观测了十年,科学家们还是没能探测到由原初引力波发出的B模辐射。但是对B模辐射的探索并不会在短期内停止——实际上,试图首先探测到它的竞争才刚刚开始升温。

很多时候,做物理实验像守株待兔,兔子不一定会来……

为了了解强核力与弱电相互作用力是否有联系,寻找光的“音爆”

从量子力学的开端,到认为弱核力(某些类型的放射性衰变与它有关)和电磁力实际上是同一种‘电-弱’力的不同形式,经过几十年的理论与实验的相辅相成,最终人们得到了所谓的粒子物理学标准模型。只有在我们熟知的标准实验室的环境下,电磁力与弱核力才表现出不一样的特性。这是由于希格斯场将质量赋予与它进行作用的粒子,从而隐藏了这两种力之间潜在的对称性。

在标准模型中,我们认为还有一种力可以和弱电相互作用力联系起来:强核力。在一种名为“大统一”的过程中,能量级达到CERN(欧洲核子研究中心)能量极限的万亿倍时,强核力和弱电相互作用力有着相近的特性。大统一理论的预测之一是,本应是稳定粒子的质子可能会衰变成其它粒子——例如π介子和正电子——尽管这种现象极其罕见。在一些模型里,质子的半衰期可能会达到宇宙年龄的一百亿亿亿(10^26)倍。

超级神冈中微子探测实验——以及它正在筹划中的升级版,究极神冈中微子探测实验——位于日本中部的神冈实验室的一座山下1000米处。它们的任务之一是在装满了极高纯度的水的巨大水箱中探寻那种罕见的质子衰变的蛛丝马迹。通过寻找被称为切连科夫辐射的微弱光线(相当于光的“音爆”),超级神冈中微子探测实验的目标是寻找质子衰变成的那些能量极高的粒子。

澳门新葡8455手机版 3美国爱达荷国家实验室的先进试验堆,切连科夫辐射发出微光。图片来源:美国阿贡国家实验室

目前为止,一无所获。不过,究极神冈中微子探测实验预计可以在2020年投入使用。它计划达到的探测灵敏度将比它的上一任提升十倍。

比如几十年前,日本的小柴昌俊在日本神冈的一个废弃的地下矿井里,用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管探测质子衰变的信号。他们努力了很久,但神冈实验没有找到质子衰变。等得时间越长,越能确定质子的寿命,最后确定质子的寿命大于1033年。

为了证实超对称,检测中子

粒子物理学的标准模型认为,中子(它和质子一起组成了原子核)的电偶极矩(EDM)极其微小(EDM是相反的两种电极之间固定的间距)。中子的EDM之小可能正是它没有被探测出来的原因。但是超对称理论——该理论认为力和物质是统一的——拓展了标准模型,它预测的EDM可能能达到标准模型预测的10万倍之大。

通过寻找中子EDM的范围,科学家可以测试超对称是否在自然中存在;通过这种方式得到的结果比通过粒子加速器实验得到的更准确。位于法国格勒诺布尔市的劳厄

  • 朗之万研究所(Institute Laue-Langevin)的CryoEDM实验就是其中之一。通过观察超慢中子在磁场和电场中的“进动”(自转轴方向的变化),我们可以对中子的EDM进行精准的测量,因为如果中子EDM存在,它的进动率在这两种场内将会有所不同。

当CryoEDM达到它设计中的最高灵敏度时,如果还检测不到EDM,那就基本可以否决超对称性的存在。另一方面,如果它能检测到EDM,那将是证明超对称在自然中存在的有力线索,因为标准模型预测中的EDM微小到无法被现有的实验设备检测出来。

但是,守得云开见月明。1987年,16万光年之外的超新星爆发,小柴昌俊那几千吨纯净水探测到了超新星中微子。因为这个贡献,他在2002年得了诺贝尔物理学奖——这就是“来自16万光年之外的礼物”。

为了看到更高的维度,给引力来个特写

如果更高的维度存在,它们将可以影响引力在极短距离内的表现。这不但意味着它们会偏离牛顿引力的平方反比定律,而且标志着一种新的短距离引力的存在,这将会违背所谓的等效原理。等效原理指出,在同一个引力场内,所有的物质——不管是炮弹还是苹果——都会以完全相同的方式下落。高维度会多些麻烦的原因是,控制高维度规模的场本身会模仿引力的效果,但这种情况只发生在极短的距离之内,而且对于不同类型的物质,它的影响也不同。

澳门新葡8455手机版 4科学家认为时空间的更高纬度可能会以六维卡拉比-丘流形的形式存在,镜像对称的假说就源自于这个想法。图片来源:Lunch

虽然爱因斯坦的广义相对论已经通过了从太阳系尺度到宇宙尺度的全面考验,科学家们近期才开始在亚毫米尺度上对它进行系统的测试。

华盛顿大学的埃特-沃实(Eöt-Wash)小组(以埃特沃斯男爵Baron Eötvos命名,他在20世纪初开创了这样的实验)正利用精确校准的扭秤搜寻违背等效原理(以及偏离平方反比定律)的现象。他们的观测尺度已经接近几十万分之一米。目前为止,他们还没发现不符合牛顿定律或是等效原理的现象;这意味着更高的维度(如果存在的话)蜷曲在远小于几十分之一微米的区域内。

探测暗物质的实验,也发生了类似的意外。

澳门新葡8455手机版 ,为了一窥宇宙学“黑暗时代”,收听微弱的电波信号

我们对于宇宙历史中的一个时期知之甚少,即所谓的“黑暗时代”。这是“复合”之后的一段时期,彼时中性氢刚刚形成,恒星还没有开始发光。一个单独的氢原子并不会释放多少辐射;然而,就像行星会在公转的同时自转一样,围绕氢原子核的运行的唯一一个电子也会围着一条轴“自转”。电子自转与公转运动的方向或是相同,或是相反;后者的能量会更低。

黑暗时代中,一部分中性氢被宇宙微波背景激发了:它们的电子会以能量更高的自转与公转同向的形式运动。当这些被激发的氢原子转变到低能量的 “非同向”的运动模式时,它们会放出一种频率约为14亿赫兹的辐射,这种辐射相当于一种十分微弱的,波长约21厘米的无线电波,检测到这种被称为“21厘米背景”的辐射能让我们直接观测到黑暗时代。

分布于欧洲(主要在荷兰)的低频射电阵望远镜(LOFAR)由一组大约20000个相控阵天线组成。它们从2012年开始向宇宙中窥探,试图探测到这种非常弱的信号。然而地球,以及它所身处的星系,是很嘈杂的;目前为止,探测到盖过我们身边的噪声的,来自黑暗时期的信号是件不可能的事。一项雄心勃勃的项目正在推进中:一个名为平方千米阵(SKA)的国际望远镜矩阵也许可以将实验推进一步,不过现在,黑暗时代依然是黑暗的。

寻找WIMP

为了发现外星人,只需永远侧耳倾听

如果能发现宇宙中存在着其他智慧生命的确凿证据,这将会是人类文明的一个分水岭。自从无线电技术出现以来,人类就在通过各类实验试图搜寻地外文明的痕迹。我们最基本的假设是,(外星)人为的电波信号的频率范围会很窄,也会有重复性,所以就像人类发送的无线电一样,可以和宇宙中自然产生的电波区别开来。1977年我们探测到了一次非常诱人的候选信号,但是此后它再也没有出现过,我们也没法排除它是自然形成的可能性。

澳门新葡8455手机版 5位于波多黎各的阿雷西博天文台参与了对地外文明的搜寻。图片来源:美国国家海洋和大气管理局(NOAA)

搜寻地外文明计划(SETI)仍在继续。SETI专用的多种射电望远镜中有一种叫做艾伦望远镜阵(ATA),它最近又新添了名义上用于寻找系外行星的技术。科学家们还提出要用SETI来寻找外星人的巨型结构;这是基于物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)的设想:高级文明可能会用巨型的设施(戴森球)来直接从母恒星中获取能量。虽然几十年来人类寻找地外文明的共同努力全都一无所获,但是我们现在有着史上最好的装备来解决亚瑟·克拉克(Arthur C. Clarke)的著名的忧虑:“有两种可能:我们在宇宙中是孤单的,或者我们不是。两者同样令人恐惧。”(编辑:小Alice呀)

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本文由 Nautilus 授权果壳网(guokr.com)编译发表,严禁转载。 

在意大利格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory),有一个探测暗物质粒子的项目——XENON1T。这个实验室与日本神冈小柴昌俊当年的实验室很像,也是很深的地下井,也需要用到很纯的液体探测器。

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格兰萨索国家实验室外景(图片来源:wikipedia)

只不过,日本神冈用的是纯净水,而意大利的XENON1T用的是纯度极高的液氙。氙是一种惰性气体,一般被汽车改装者用做氙灯,氙灯可以亮瞎对面车道上的车主。这种惰性元素,是怎样用来探测神秘的暗物质粒子的?

需要强调的是,暗物质粒子的理论模型非常多,寻找暗物质粒子犹如在茫茫人海中找人。直到现在,我们甚至连暗物质的名字到底是什么都不知道。有的人说暗物质叫WIMP,有的人说暗物质叫Axion……公说公有理,婆说婆有理。

在众多暗物质理论模型中,有一种质量在1GeV~1000GeV量级(作为对比,我们知道质子的质量接近1GeV)的候选暗物质粒子格外受物理学家青睐,这个粒子就是弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)。

上海交通大学物理与天文学院博士后张佳骏告诉《环球科学》记者:“WIMP是一类流行的暗物质候选者。在宇宙热大爆炸模型中,随着早期炽热的宇宙逐渐膨胀并冷却,暗物质粒子与其他粒子解耦合并且长期稳定留存到今天。只要暗物质粒子具有相当于弱相互作用的反应截面,或者说它可以参与弱相互作用,并且它们还比较重(静质量大于1GeV),在广泛的质量范围内(从GeV直到TeV量级),都能自然地解释现在天文观测到的暗物质的密度。这就是WIMP得名的原因——参与弱相互作用并且质量大。而WIMP在热大爆炸宇宙模型中对于宇宙暗物质密度的成功解释就被俗称为WIMP奇迹。”

可以看出,WIMP肯定比质子重,因此如果要让它去撞一个原子核,假设这个被撞的原子核质量与WIMP差不多,那么就可能发生弹性碰撞,可以把被撞的原子核加速到很高的速度。这个被撞的原子核获得这些动能后可以运动起来,最后撞上别的物质而发光,科学家可以通过发出的光来推算WIMP的质量与其相互作用的截面。

在具体的操作中,有一部分科学家就选择了氙原子核作为被撞对象。氙是54号元素,实验选用的是半衰期最长的同位素——氙124。氙原子核与WIMP的质量是接近的,因此可以“关公战张飞”,而不是“关公战蚂蚁”,这看起来也许是一幕好戏。

当然在质量比较小的暗物质粒子的理论中,比如所谓的轴子质量就在μeV-keV量级,这个就不能去撞氙原子核来做实验了,因为氙原子核对轴子来说太重了,轴子撞上去犹如“蚍蜉撼大树”。

液氙所要探测的,就是WIMP。

XENON1T的实验装置位于地下1400米深,内部有一个装有3.2吨液氙的巨形水槽。如果暗物质粒子WIMP存在,它的穿透能力极强,那么WIMP可以穿到地下与水槽中的氙原子核碰撞,这种碰撞会产生独特的发光信号,科学家希望捕捉到这一小概率事件。

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XENON1T实验装置内部(图片来源:XENON1T官网)

液氙意外衰变

本来科学家认为,液氙是非常稳定的,它就好像守株待兔这个故事里的“株”静静等待暗物质粒子这个“兔”来撞击它。

但是,意外发生了。

最近,在XENON1T合作组的科学家发现,兔子没等到,株却变了。

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