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一无所获,最灵敏暗物质探测器公布结果!

(文/大卫·萨尔兹保)在第4集中,让我们来分享些物理和化学的知识吧。

图片 1当年仍在建造中的LUX实验装置。如今,LUX实验已经完成,并未发现暗物质粒子的踪迹。图片来源:Matthew
Kapust/Sanford Underground Research Facility

我想以本集的台词作为开始:

大型地下氙暗物质实验(LUX),已经完成了它对于宇宙中缺失物质的搜索。这项实验在美国达科他州布拉克山桑福德地下研究所深达1.6千米的岩层之下完成。

库瑟帕里(对谢耳朵)说:“我告诉你,如果氙等能发出紫外线,那些有关暗物质的发现都会是错的。”

7月21日,在英国谢菲尔德的国际暗物质会议(IDM
2016)上,LUX科学合作组织公布了探测器自2014年10月到2016年5月这最后20个月的运行结果。

今天我们经历了物理学界最具争议的讨论。我们已经知道,银河系中有三分之二的物质都是黑暗、未知的存在。它们被命名为“暗物质”。科学家们正竭心研究,寻找暗物质存在的证据,他们希望能在粒子探测器中捕捉到它们。谁首先发现了它,必将能流芳百世。

合作组织科学家说,LUX的灵敏度远超实验最初的预期,但依然没有找到任何暗物质粒子的踪迹。LUX超高的灵敏度让科学团队确信,如果暗物质粒子与LUX中的氙靶发生过相互作用,探测器几乎肯定能够看到它们。这一结果给暗物质探测带来了新的限制条件,将让科学家排除许多潜在的暗物质粒子模型,并为下一代暗物质实验提供至关重要的方向指导。

比赛已经开始了。许许多多的探测器全速运转,它们使用了不同的技术做赌注,但共同点是都在寻找极其微弱和稀有的事件。所以物理学家的探测器均用放射性极低的材料制成,并放置在深邃的地底以保证环境尽可能安静。目前,有两个在研实验发现了某种信号,研究人员认为这种信号与暗物质相关。这两个实验分别是Dama-Libra(莱纳德曾和母亲提到过这个意大利研究小组)和CoGeNT。

“自2013年首次运行以来,LUX就保持着世界最高探测灵敏度的纪录。”美国布朗大学物理学教授、LUX实验联席发言人瑞克·盖茨克(Rick
Gaitskell)说,“根据2014年-2016年这次运行的最终结果,LUX合作组织的科学家已经将设备的灵敏度推进到了最终水平,比原先预期的还要高4倍。如果灵敏度提高之后能够带来清晰的暗物质信号,那就非常了不起了。然而,我们观测到的结果与只存在背景辐射的情况完全一致。”

但最近有一种新型探测器投入了运行。氙是我们每天呼吸的空气中都带有的元素,但这种稀有气体纯粹是为了“打酱油”,它不会与我们的肺发生作用。但在温度低于-162华氏度时氙会变成液态。当暗物质粒子通过液态氙时,偶尔会作用于单个氙原子。这种作用会导致氙原子核移动一小段距离,产生自由电子、热量和光。可见光中最高频率的是紫光。但氙自带能量生成的颜色比紫色更“蓝”,这种光被称为紫外光,我们无法用肉眼观测,不过粒子探测器能够发现它们。氙探测器非常巨大,重量足有100千克,所以被命名为氙-100。但氙-100没有发现暗物质碰撞中的紫外线迹象。这能说明其他与暗物质相关的发现是错误的吗?还是因为液氙生成的紫外线不够?这就是谢耳朵和库瑟帕里所争执的事。物理学家们同样意见不一。

暗物质被认为在宇宙的物质成分中占到4/5以上。科学家确信暗物质的存在,因为从星系的旋转和光穿越宇宙时弯曲的方式里,都能够看到它施加的引力作用。然而,迄今为止还没有任何一个实验直接接触到暗物质粒子。LUX实验被设计用于寻找弱相互作用大质量粒子,即WIMP,这是暗物质粒子的主流理论候选者。如果WIMP模型是正确的,那么每秒钟都会有数十亿个WIMP粒子穿透你的手,同时也会穿透地球和地球上的所有一切。但是,由于WIMP与普通物质的相互作用太过微弱,这些鬼魅一般的旅行者完全没有被人留意到。

但今天白板中的内容与此无关。我们很荣幸的请到一名特邀嘉宾设计今晚白板中的内容。某天,我与生活大爆炸编剧聊天时,得知了《真正的天才》(1985)这部电影。虽然编剧向我强烈推荐,但我心中还是存有怀疑。不过,它却深深地震撼了我。不是因为剧本或是演员(虽然都很出色),而是因为最重要的部分:科学设置和对话。原来,《真正的天才》有一名科学顾问,他是来自南加州大学的物理教授马丁•冈德森。我对保证剧本中科学设置和台词合适需要付出的努力深有体会,所以非常敬仰他们的出色工作,他们的台词与物理知识穿插地非常完美。我以粉丝的身份向冈德森教授发出过一封邮件。他友好地回复了我的信件,并终于在录制本期大爆炸时访问了剧组。

图片 2LUX探测暗物质粒子的原理。如果有暗物质粒子与探测器里的氙原子发生碰撞,就会发出微弱的闪光并释放出电荷,从而被布置在周围的传感器检测到。图片来源:phys.org

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LUX探测器由1/3吨重的冷却液态氙构成,周围则布满了强大的传感器,设计用来检测微弱的闪光和电荷。如果有WIMP粒子与探测器中的某个氙原子发生碰撞,就会发出那样的闪光和电荷。探测器位于桑福德实验室深达1.6千米的岩层之下,并安置在一个72000加仑(约270立方米)、装满高纯度水的水箱之中,来帮助它屏蔽可能干扰暗物质信号的宇宙线和其他辐射。

如果你们是白板爱好者并清楚地记得白板上的内容,那么一定会发现本集中的白板内容与25年前《真正的天才》中的完全相同。

这些研究者说,LUX连续20个月的运行是迄今的暗物质实验中持续“曝光”最久的探测尝试之一。由此产生的近50万GB的数据,要借助美国布朗大学和劳伦斯伯克利国家实验室的高性能计算机才能进行快速的分析。

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仔细校准

尽管精心设计并建造了LUX实验装置,但来自外界的背景辐射仍然无法完全屏蔽。好在一系列前期的校准测量,能够帮助科学家区分暗物质信号和残余背景辐射产生的事件,从而使得LUX实验达到了超凡的灵敏度。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学教授、LUX实验联席发言人丹·麦肯锡(Dan
McKinsey)说,“在整个暗物质搜寻期间,LUX实验装置对光电信号的反应会有轻微的变化,因此我们的校准让我们能够持续排除辐射背景,保留一个清晰的暗物质标记用于搜寻,并抵消在探测器的特富龙内壁上积累起来的微小静电荷。”

“在超过1年半的时间里,我们努力工作并保持警惕,维护着探测器在最佳环境下运行,使有用的数据时间达到了最大化。”伯克利实验室的物理学家、LUX实验科学合作主管西蒙·菲奥鲁奇(Simon
Fiorucci)说,“实验数据毫不含糊,我们能够以此为傲。实验结果也相当及时,特别是在竞争非常激烈的这个领域——虽然并不是我们所有人都希望看到的正面结论。”

图片 5LUX探测器内部。这台暗物质探测器已经完成使命,将被下一代的LZ探测器所取代。图片来源:Matthew
Kapust/Sanford Underground Research Facility

我不想解释准分子激光器的工作原理,以免破坏你们对《真正的天才》的兴趣,并不是所有人都看过这部电影。

继续探索

尽管LUX实验成功排除了一大批暗物质粒子理论,但WIMP粒子仍有可能存在,用布朗大学物理学家盖茨克的话来说,WIMP模型“仍然活得很滋润”。LUX科学家的精细工作,将对未来直接探测暗物质的实验提供方向指导。

位于桑德福地下研究所的LUX实验装置,也将被LUX-
ZEPLIN(LZ)实验装置所取代,成为下一代探测实验之一。

与LUX的1/3吨液态氙相比,LZ实验将使用10吨液态氙作为靶子,仍将安置在那个帮助LUX抵御外来辐射的72000加仑纯水水箱之中。LZ的灵敏度预计将达到LUX实验的70倍,将在2020年继续暗能量粒子的搜寻工作。

“LUX新结果的发布,提高了暗物质搜索的门槛,超出了我们的预期。”美国伯克利实验室物理分部主管娜塔莉·罗(Natalie
Roe)说,“随着LUX实验的成功完成,现在我们要聚焦于继任者LZ实验,我们希望它能够带来戏剧性的发现。”(编辑:Steed

在本集的最后,我们看到谢耳朵制造了硫化氢。硫化氢的气味极像臭鸡蛋……我们没有告诉观众如何制造硫化氢,因为在日常实验中制造硫化氢可能伤害到自己和他人,这在新闻中屡有报道。如果我们没有社会意识,那么生活大爆炸就一无是处。所以我想谢耳朵是利用实验室才有的硫化氢水溶液制造的,这种快速化学反应为:

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现在,我们赶紧逃出房间吧!

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