物理

最後通牒:暗物質請露面

即使過去尋找暗物質的嘗試都失敗了,研究人員對新一波實驗仍有信心。

撰文/莫斯柯維茲(Clara Moskowitz)
翻譯/洪艾彊

物理

最後通牒:暗物質請露面

即使過去尋找暗物質的嘗試都失敗了,研究人員對新一波實驗仍有信心。

撰文/莫斯柯維茲(Clara Moskowitz)
翻譯/洪艾彊


物理學家針對暗物質提出的最佳理論,目前面臨最終試驗。暗物質是瀰漫宇宙的隱形物質,許多物理學家相信暗物質可能是由弱作用大質量粒子(WIMP)組成。今年3月,義大利格蘭沙索國家實驗室將展開最大型、最靈敏的XENON1T實驗,用於偵測WIMP。


該計畫是延續1980年代以來一連串失敗的暗物質實驗。如果物理學家在接下來的幾年,依然無法透過XENON1T實驗偵測到暗物質,或許就要放棄WIMP理論,轉而建構其他較不尋常的解釋理論。美國普渡大學的物理學家朗(Rafael Lang)參與該計畫,他表示:「我們最棒的模型就落在XENON1T實驗的測量範圍。如果我們還是找不到證據,表示我們的想法完全錯了,必須重新回到原點。」


WIMP的預測源自「超弦理論」(superstring theory),該理論主張,宇宙的所有基本粒子都有各自的伴子(partner),WIMP則是這些伴子中質量最輕的。物理學家對WIMP抱以厚望,因為超弦理論預測了暗物質的量(暗物質約佔宇宙所有物質質量的84%)。過去搜尋WIMP的各項實驗已經一一排除許多可能性,不過研究人員仍舊冀望找到這種粒子。


在地底下1400公尺的洞穴裡,XENON1T實驗的主要儀器是一座可以容納3500公斤液態氙的圓桶。當暗物質粒子撞擊氙原子核時會放出光,物理學家利用這個特性來記錄非常少見的碰撞事件,並推算暗物質粒子的能量。雖然物理學家認為暗物質無所不在,每平方公分每秒大約就有10萬個暗物質粒子通過,但除了重力,它幾乎完全不和普通物質作用。在執行XENON1T實驗的兩年期間,物理學家只要找到10個粒子大致符合暗物質的預測性質,便可宣稱尋獲暗物質。


這項耗費1500萬美元的計畫是由10個國家集資合作,延續早先規模小25倍的類似實驗。這項新的XENON計畫使用的大型收集槽和改良過的屏障設計,能避免其他粒子混入,使儀器在開始運作的頭兩天,靈敏度就超越前次實驗,幾個星期之後更勝過目前暗物質實驗的領頭羊:美國南達科他州370公斤的大地下氙實驗(LUX)。加州大學爾灣分校的理論學家泰特(Tim Tait)沒有參與此實驗,他評論:「如果XENON1T發現先前幾代實驗錯失的證據,我一點也不驚訝。」


在此同時,瑞士日內瓦附近的大強子對撞機(LHC)也可能找到WIMP,LHC利用接近光速的兩束質子碰撞以產生新粒子。LHC於去年再次啟動時,已經比2009年提高了幾乎一倍的能量,應該足以達到WIMP的能量範圍。


如果在未來幾年,這兩組實驗團隊都未偵測到WIMP粒子,代表理論物理學家應當改弦易轍,另尋暗物質的其他理論。泰特表示:「雖然我們知道暗物質存在,但是對它的性質所知有限,因此依據各種可能性來建構理論並不難。如果我們偵測不到暗物質,代表暗物質比我們原先預期的更怪異、更奇特。」(洪艾彊 譯)


更多相關文章

2018年02月192期比特幣迎接未來金錢 雜誌訂閱

本期最新文章