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氙氣Xe-揭秘英國地下800米處暗物質搜尋實驗室
2011-10-30 14:14:49
揭秘英國地下800米處暗物質搜尋實驗室
新浪科技 2011-1-25 10:08:27
天體粒子物理學家帕維爾·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。暗物質非常神秘，一直就是最大的宇宙謎團之一，即使參加這項實驗的科學家也不確定暗物質是否真實存在或者最終能否發(fā)現(xiàn)這種物質。3月，實驗結果將浮出水面，如果如愿以償?shù)匕l(fā)現(xiàn)暗物質，這一發(fā)現(xiàn)將徹底改變科學界的面貌。
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。
當然了，在冬季的早晨，搭乘貫籠進入波爾比鉀鹽礦的科學家并沒有這種擔憂。如果有此擔憂，他們無疑選錯了地方。為了成功完成尋找和研究暗物質的這項工作，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。迄今為止，還沒有人證明暗物質真實存在。
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構，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。這條地道通往一個采用膠合板結構的簡易交流區(qū)。來自上方的壓力導致這里開始出現(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備，墻邊擺著大量測量設備、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。這個設備由一系列框架構成，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)千英鎊的設備。
這兩個實驗儀器一個是暗物質探測器，被稱之為“ZEPLIN-III”，另一個是暗物質望遠鏡，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?？茖W家認為暗物質在宇宙的比重高達80%以上?！?
進氣系統(tǒng)，確保超純氙氣供應
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
在科學界，尋找暗物質是眾多物理學家為之奮斗的目標，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，這種物質非常神秘，參與這一項目的科學家中沒有一個人確切知道暗物質是否真實存在。
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作為一個重要目標。英國此次尋找暗物質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院飛到英國，進入地下實驗室修理暗物質望遠鏡。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。”
如何成功發(fā)現(xiàn)暗物質呢?ZEPLIN-III項目負責人、倫敦帝國學院講師亨里克·阿勞霍博士表示：“如果能夠發(fā)現(xiàn)暗物質，我們將最終解答物理學上的一個重大疑問?！币练蛱亟淌谀樕系男θ莞嬖V我們，尋找暗物質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研究領域。對于此次尋找暗物質的嘗試，公眾最關心的莫過于結果——究竟是如愿以償?shù)匕l(fā)現(xiàn)暗物質還是發(fā)現(xiàn)其他物質。
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)立量子力學理論時，科學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的重要性。他說：“雖然發(fā)現(xiàn)這種物質的可能性很小，但發(fā)現(xiàn)的意義非常重大，要知道，暗物質在宇宙質量中的比重高達85%?！?/div>
質量失蹤問題
我們已經(jīng)知道其他15%由什么物質構成。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構成。物質是引力之源，由原子構成，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——暗物質。不僅僅在太空，地球上也可能存在暗物質，雖然數(shù)量較少，在閱讀這段文字時，每秒將有100萬暗物質粒子穿過你的小指。之所以被稱之為暗物質是因為這種物質不會發(fā)射光線同時也不可見。暗物質沒有電磁場，這也就意味著幾乎無法借助任何常規(guī)科學測量設備探測到它們的存在。
我們何時發(fā)現(xiàn)可能存在暗物質?直到上世紀30年代，還沒有人得出這一發(fā)現(xiàn)。1933年，加州理工學院的瑞士天文學家弗里茲·扎維奇提出了一項非常引人注目的暗物質存在理論。但幾十年來，很少有科學家相信暗物質存在的可能性。
扎維奇提出的謎題必須通過研究星系質量加以解答。星系質量計算通常采用兩種方式，一種是測量星系的旋轉速度，星系旋轉速度越快，所擁有的質量越大;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)座星系團的真實質量，所得出的質量卻是視覺觀測下的大約400倍。這種現(xiàn)象被稱之為“質量失蹤問題”。
什么物質導致如此巨大的差異?答案可能就是暗物質。直到上世紀70年代，扎維奇的理論才得到證實。當時，年輕的美國天文學家維拉·魯賓利用其對螺旋星系旋轉速度的觀測數(shù)據(jù)得出同樣的結論。我們能夠觀察到的星系區(qū)域——明亮區(qū)——所擁有的質量似乎只占星系總質量很少的一部分，余下的質量一定存在于我們無法觀察到的暗區(qū)。
分析暗物質探測器獲取的數(shù)據(jù)
謝菲爾德大學的馬克·派普為DRIFT-II探測器實施“手術”。這個探測器是世界上最靈敏的暗物質望遠鏡
液態(tài)氮用于冷卻ZEPLIN-III探測器中的“靶子”
費用政府買單
此次科學競賽旨在率先發(fā)現(xiàn)暗物質的存在。35年來，沒有一個人成功做到這一點，這項任務難度之大我們可想而知。伊夫特表示：“全世界大約有300位科學家一直在搜尋暗物質，這是一項非常艱巨的任務。參與這項工作的人就像著了魔一樣研制探測設備，探測自己認為中的暗物質。但這種探測具有極大的不確定性，可能一無所獲?！?/div>
在難于進入的地下深處進行暗物質研究是一個最基本的要求，這種要求也提高了搜尋暗物質的難度。阿勞霍指出，科學家在礦井內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)。”
首先，進入礦井并非易事。科學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備陷入混亂，任何體積超過70立方英尺(約合2立方米)的設備都無法借助起重機運進礦井。由于搜尋暗物質項目本身的特殊性，所進行的實驗在幾個月甚至最后結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、電費和設備維護費用，由英國政府買單。
靈敏度就是一切
對于暗物質到底是什么，科學家意見不一。一些科學家認為，暗物質可能是由暈族大質量致密天體構成，這種物質可能來自于黑洞。上世紀70年代，意大利科學家指出暗物質可能由axions粒子構成，axions以一種洗衣粉的名字命名。也有人認為，存在暗物質不過是一種幻想，星系出現(xiàn)“質量失蹤問題”的真正原因只能說明牛頓物理學定律存在缺陷。
當前有關暗物質的最流行理論是，這種物質由大質量弱相互作用粒子(WIMPs)構成。之所以取這個名字是因為暗物質據(jù)信會與正常物質發(fā)生反應，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。”
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備。在這場尋找暗物質的競賽中，靈敏度就是一切。
阿勞霍解釋說：“在6個月的實驗中，我們預計自己的實驗只能探測到少量暗物質事件。但在相同的時間內，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?！?/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。探測器內部的“靶子”由12公斤純液態(tài)氙構成，一旦核心受到粒子轟擊便會發(fā)生反應。無論什么時候，只要發(fā)生反應便會產(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?！ ?
這座科學實驗室的主廳
參與這一項目的科學家中沒有一個人確切知道暗物質是否真實存在
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)暗物質的最終受益對象是整個科學界，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，波爾比礦井內的科學家正朝著實現(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備，科學家距離發(fā)現(xiàn)暗物質自然更近一步。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果，研究小組便取得勝利。波爾比實驗室資深科學家和設施負責人肖恩·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——科學與技術設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的實驗中，他們自然處于有利位置，成功發(fā)現(xiàn)暗物質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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