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2019年值得关注的暗物质搜寻实验

2019-01-05 09:42 本站整理 浏览(12)

2019年值得关注的暗物质搜寻实验

图片中的地下水箱将是放置 LUX-ZEPLIN 探测器的地方

2019年值得关注的暗物质搜寻实验

LIGO 项目运行着两个干涉仪,一个位于华盛顿州东部的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿(如图)

北京时间 1 月 3 日消息,据国外媒体报道,对暗物质研究而言,2018 年是重要的一年。然而,与往常一样,天文学家其实并没有找到任何暗物质。我们的望远镜观测不到它们,但它们似乎又占据了宇宙质量的至少 80%。

前不久曾经有“暗物质飓风”正朝地球而来的报道,但我们还无法看到其真正面目。研究人员发现了一个似乎不存在任何暗物质的星系,奇怪的是,这反过来证明了暗物质的存在。不过,最终他们发现,这个星系可能还是具有暗物质,从而使一些科学家对暗物质的存在感到怀疑。多个本来应该在地球上直接探测到暗物质的实验项目至今仍一无所获。

那么,当我们步入 2019 年时,科学家又会去哪里寻找暗物质呢?或许我们应该保持乐观,从各个方面来看,对暗物质的搜寻工作都在不断向前推进。从大型地下探测器到大范围的巡天观测,以下就让我们来盘点将在 2019 年进行的一些暗物质搜寻实验。

LIGO 重新上线

2015 年,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)直接观测到了引力波,而在 2019 年初,这台探测器将开始第 3 轮的观测任务。在进行了一系列设备升级之后,LIGO 将收集比以往多得多的数据。

那么,引力波探测器暗物质搜寻中能做什么呢?利用引力波数据,科学家或许能揭示一些反映暗物质存在的可能性,不过现在还没有实质性的进展。

2018 年,有研究者提出,如果宇宙某处隐藏着一种质量非常小的“暗光子”,那它的信号可能会在 LIGO 的数据中出现,在引力波特征信号中导致特殊的非常规情况。

“我们揭示了基于地面和未来基于太空的引力波探测器具有发现(结论性的暗物质)的能力,”研究人员写道。在 LIGO 重新投入运行之后,在引力波数据中找到暗物质的证据开始有了一定可能性。

2019年值得关注的暗物质搜寻实验
MiniBooNE 探测器的内部

MiniBooNE 是否会放弃幽灵中微子?

在整个 2018 年,科学家都在兴奋地谈论美国费米国立加速器实验室(Fermilab National Accelerator Laboratory,简称 Fermilab 或 FNAL)一项实验的结果。该实验被称为“MiniBooNE”,似乎发现了一些不应该存在的粒子。目前最好的解释是,宇宙中存在尚未被发现的第 4 种中微子,名为“惰性中微子”。这种粒子与宇宙其他部分的相互作用甚至比其他类型的中微子还微弱,换句话说,它们不参加除引力以外的任何相互作用。

一些研究者认为,惰性中微子可以作为暗物质的候选粒子。随着 2018 年的过去,物理学家们对于这种异常情况的看法越来越坚定。在 2019 年,他们将以新的方式来思考相关数据,并进一步看清惰性中微子的实际身份。

2019年值得关注的暗物质搜寻实验
大型综合巡天望远镜(LSST)将设置在智利北部的帕穹山(Cerro Pachón)

LSST 的工程第一光

大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope, 简称 LSST)是正在智利建造的一台广视野巡天反射望远镜,它可以每隔 15 秒拍摄大片天空的详细图像,每 3 天完成一次全天空扫描。在未来 10 年时间里,它将一次又一次对拍摄的图像进行比较,以追踪天空中出现的任何变化,为了解暗物质如何影响宇宙提供最深入的数据来源。

许多科学家认为,暗物质塑造了星系及其恒星运动和相互作用的方式。LSST 的目标便是填补天空图景中的空白,为了解宇宙如何运作提供前所未有的细节。这将为天体物理学家提供大量有关暗物质性质及其在宇宙中所起作用的数据。

2019 年,研究人员将首次开启这台重达 2800 千克的望远镜,即进行第一次观测——在天文学中称为“开光”(First light)。正式的科学运行将在 2022 年开始。

2019年值得关注的暗物质搜寻实验
美国南达科达州的研究人员正在 1.6 千米的地下进行着 LUX-ZEPLIN 实验的施工

建造下一代探测器的竞争将升温

长期以来,粒子物理学家推测暗物质的第一个直接标志可能是一道闪光。其中的工作原理是:随着暗物质在非常黑暗的空间里与惰性物质碰撞,这些物质会因此发出微弱的光点。几十年来,科学家根据这一原理建造了多台探测器,但截至目前,还没有一台探测器给出了确定的结果。

2019 年,中国科学家将在粒子和天体物理氙探测器(Particle and Astrophysical Xenon Detector,简称 PandaX)的平台上努力工作。这个暗物质探测器位于地下约 2400 米的实验室中,全天 24 小时盯着二相型氙投影室,寻找闪光信号。科学家还在对该探测器进行升级,以容纳 3.6 吨的氙。据报道,升级工作有望在 2019 年到 2020 年完成,新的探测器将被称为“PandaX-xt”。

面对竞争,美国南达科达州的研究人员也将完成 LUX-ZEPLIN 实验最重要的施工阶段。该探测器预计可以容纳 9 吨的氙。与 PandaX-xt 一样,这一项目可能要到 2020 年才能完成。

意大利也将推进 XENON 探测器的升级,使其达到 7.2 吨氙的规模。这次升级——称为“XENON-nt”预计将在 2019 年完成。

下一阶段

在上述实验中,无论哪一个都有可能发现决定性的证据,表明暗物质粒子的真实存在。但是,在短期内,几乎所有领域的物理学家都在专注于利用过往的教训,为未来更大规模、更加有效的暗物质搜寻提供信息。2019 年会发现无可争议的暗物质证据吗?这可能太过乐观了,但追逐这一目标的物理学家对新的一年充满期待,他们将以比以往更高精度、更强大的探测器来进行搜寻。

来自: 新浪科技