首 頁 科普工作站 科學大觀園 科普100問 科普大講堂 科普游楚天 健康咨詢吧 科學競技場 科普微直播 科學辨真偽 天天科普
當前位置:科普湖北云 > 科學大觀園

暗物質之謎,是21世紀最重大的物理發現還是超級烏龍?

發布時間:2021-06-29 10:30 來源:環球科學

  1997年9月,一則從意大利格蘭薩索國家實驗室傳出的消息引爆了物理學界。在該實驗室舉辦的一場天體粒子物理會議上,研究團隊公布了暗物質粒子探測項目DAMA/NaI的初步結果:這個探測器似乎找到了一絲暗物質粒子存在的線索。

  在隨后的20多年里,來自這個實驗室的證據一次次指向暗物質粒子,但他們的結果似乎永遠無法得到其他科學家的重復,F在,這個曠日持久的暗物質之謎終于接近水落石出。這個來自意大利地下深處的實驗,真的找到了暗物質嗎?

   “看不見”的物質

  1933年,瑞士天文學家弗里茨·茨威基(Fritz Zwicky)在研究距離我們3.2億光年的后發座星系團時發現,其中許多星系以很高的速度在旋轉。據此估算,星系團中的物質總量能產生的引力遠遠不足以將這些星系束縛在一起——換言之,在這樣高速的旋轉下,這個星系團應該已經“散架”了。

  茨威基據此認為,星系團中可能還有大量人們“看不見”,但具有引力的物質,而且其質量足夠大,可以確保星系團中的眾多星系在高速運動的情況下依然不會散開。這種物質無法被觀測到,因此茨威基在德語中稱其為dunkle Materie,翻譯過來即為“暗物質”。不過,這樣的想法過于超前,在很長一段時間內都無人問津。

  40年后,茨威基的“暗物質”假說終于重新被人們重視。1970年,美國天文學家薇拉·魯賓(Vera Rubin)發現,在與星系中心的距離達到一定值之后,恒星圍繞星系中心公轉的速度不再發生變化,這與萬有引力定律的預測不符。此后,天文學家根據多方面的天文觀測結果推測,宇宙中存在大量不發出任何波段的電磁波、不與光相互作用,只能通過引力效應間接感知其存在的暗物質。根據目前的估算,暗物質約占宇宙中物質總量的85%,遠多于我們熟悉的普通物質。

  不過,關于暗物質的本質究竟是什么,科學家仍莫衷一是。其中呼聲最高的暗物質候選粒子是大質量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)。一方面,WIMP與粒子物理中某些理論預言的粒子性質相似;另一方面,從實驗探測的角度,WIMP和普通物質之間存在著弱但不為零的耦合作用,因而可能被直接觀測到。出于這些因素,這種假想中、仍未被證實存在的粒子被人們寄予厚望。而在格蘭薩索國家實驗室,DAMA/NaI實驗的探測目標正是這種粒子。

  揭開暗物質的面紗

  但是,探測暗物質粒子的實驗設計卻是困難重重。其中一大難點在于,如何區分并排除普通物質的干擾。普通物質的粒子(例如伽馬射線、中子)也可以撞擊探測器、產生干擾信號,也就是所謂的“本底事件”。盡管科學家采取了一系列抗干擾的手段,包括將探測器建在地下深處以屏蔽射線干擾、使用低放射性本底的材料等等,但要想將WIMP產生的信號和本底事件區分開來、直接鑒別出單次撞擊是否與WIMP有關,仍然較為困難。

  因此,另一種思路開始受到關注,那就是從群體特征的角度來確定暗物質粒子存在與否。

  科學家認為,在整個銀河系的范圍內彌漫著大量的暗物質,這一結構也被稱為暗物質暈。而太陽系圍繞銀河系中心公轉,與暗物質暈存在相對運動,因此暗物質暈中的暗物質粒子會像“風”一樣吹向太陽系。

  上世紀80年代中期,有科學家認為由于地球繞太陽公轉,暗物質粒子風吹向地球的速率和方向會存在周期性的變化:每年6月,地球公轉與太陽系在銀河系中的公轉方向相同,此時地球相對暗物質暈的運動速率最快,“風速”最高;反之,12月時“風速”最低。這樣的現象被稱為“年調制效應”(annual modulation effect)。如果這樣的效應的確存在,那么暗物質粒子與探測器碰撞的概率就會呈現年度的周期變化——一旦能觀測到年調制效應的信號,也就能間接證明暗物質粒子的存在。

  1996年,在1400米厚的巖層之下,DAMA/NaI實驗正是基于這樣的思路開始工作。其探測器中包含9個摻鉈碘化鈉晶體組成的陣列,每個晶體重9.7千克。根據理論預測,如果有暗物質粒子進入探測器,這些“看不見”的粒子會和晶體的原子核發生碰撞并散射,即“核反沖”。隨后,反沖出來的帶電原子核可能會激發晶體中的原子,當原子退激發時,會發射出可見光波段的熒光,使連接在晶體上的光電倍增管產生電脈沖信號,從而使人們獲知暗物質粒子的存在。

  1997年,DAMA/NaI公布了初步觀測結果;2003年,DAMA/NaI“退役”,此后升級為DAMA/LIBRA,后者探測器中的摻鉈碘化鈉晶體從9個增加到了25個,具備更強的探測能力。無論是在DAMA/NaI還是DAMA/LIBRA時期,該項目的科學家每一次公布的數據,都指向了同一個結論:他們很可能找到了暗物質粒子。

  例如在2018年,DAMA/LIBRA第二階段的數據就顯示:在1~6 keV的光電子探測區間內,該階段數據的統計學顯著性達到了9.5σ——換句話說,如果不是由于年調制效應,那么得到這些數據的概率不足2/1011,也就是500億分之1。這已經遠遠超出粒子物理學領域,聲稱發現新粒子需要達到的5σ的顯著性標準。綜合DAMA/NaI和DAMA/LIBRA共14年的探測數據,在2~6 keV的能量區間內,統計學上的顯著性更是達到了12.9σ。這些結果似乎是探測到了暗物質粒子的鐵證,也似乎是近幾十年來,人們最接近“看到”暗物質真面目的一次。

  難以服眾的“漂亮”結果

  但是,正如你熟悉的那樣:科學界普遍認為,我們距離暗物質粒子的真相依然遙不可及。對于DAMA實驗,最大的問題在于:自始至終,能夠得到類似結論的,只有DAMA實驗團隊。

  事實上,在DAMA/NaI團隊于1997年報告其初步觀測結果,宣稱可能觀測到WIMP的年調制效應時,就有不少科學家提出了質疑。他們認為,根據團隊自己公布的信息,其分析和推論過程存在若干不嚴謹之處。例如,探測器的9個晶體輸出的結果特征并不相同,只有3個晶體輸出的結果與存在年調制效應的情況相符,也就是說探測器本身可能存在系統誤差。此外,研究團隊對探測能量區間的有意選擇、分析夏冬兩季數據的時間長度差異、對噪音的截斷處理等,同樣值得商榷。

  在隨后的二十多年時間里,多個暗物質探測項目在全球各地開展,但沒有任何實驗能夠重復DAMA團隊的結果。許多在同樣能量范圍內進行探測、靈敏度比DAMA實驗高得多的實驗,也都無法偵測到能證明暗物質粒子存在的信號。

  DAMA這樣“漂亮”而無法復現的結果引發了大量爭議。有科學家指出,與季節變化耦合的結果也可能是由其他與WIMP無關的因素所致,例如宇宙線強度、溫度、濕度等。由于DAMA的探測器位于北半球,在南半球建設另一臺探測器,或許可以排除部分上述因素的影響。此外略顯可疑的是,DAMA的團隊從來沒有公開過其詳細數據和方法,也就意味著其他科學家無法仔細審查其研究。DAMA團隊在處理數據時,以年為單位從數據中減去噪聲的平均值,這項操作可能會讓原本不含信號的數據變成周期性信號,從而產生誤導性的結果。

  實驗設備中的小問題也可能對結果產生巨大的影響。2019年年初,加州大學戴維斯分校的一支團隊稱,如果光電倍增管中有少量的氦污染,便可能會產生與DAMA相似的結果,這或許可以解釋為什么他們不斷地探測到信號,而其他的實驗卻一籌莫展。

  重現DAMA實驗

  為了檢驗DAMA團隊的結果是否可信,一支西班牙的科研團隊模仿DAMA實驗,開展了ANAIS-112項目。該實驗在西班牙坎夫蘭克地下實驗室(Canfranc Underground Laboratory,LSC)展開,其探測器使用了9個、每個重12.5千克的摻鉈碘化鈉晶體模組。不過,ANAIS-112項目的數據和方法都是公開的,而且團隊在數據分析時也避開了上述可疑的操作。

  2017年8月,ANAIS-112的探測器開始收集數據,并先后報告了1.5年、2年和3年的觀測結果,均沒有觀察到WIMP的年調制效應。而且,這一結論在統計學上的顯著性越來越強,最近一次的置信度已經接近3σ——這通常是聲稱發現了證實或證否某個假說的證據時,所需要達到的標準。這也說明,DAMA實驗的結果已岌岌可危。

  不過,目前ANAIS-112的結果還不能完全排除DAMA/LIBRA確實探測到暗物質的可能性。根據計劃,ANAIS-112實驗會運行5年。研究團隊推算,屆時這一實驗與DAMA/LIBRA實驗結果的分歧會更為顯著,可以達到3σ的置信度,從而給DAMA/LIBRA的結果判定“生死”。不過,要想達到5σ的置信度,則需要累計收集10年的數據。

  從茨威基提出暗物質的猜想到今天,接近90年已經過去了。盡管科學家們提出了各種猜想,探測器也變得愈發強大,人們還是難以揭下暗物質神秘的面紗。從目前的結果來看,人們很難相信DAMA團隊確實探測到了暗物質粒子。隨著其他實驗數據的積累,DAMA實驗的結果將接受進一步、更嚴格的檢驗。這不僅關乎新的、甚至是革命性的科學發現,也警示著人們,可重復性對科學實驗至關重要,而對數據的分析和解讀則應慎之又慎。

編輯:徐菁
友情鏈接

鄂ICP備13005063號-4

野花在线观看免费高清完整版