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普朗克研究所极深地下实验室 新发现暗物质踪迹

http://www.kexue.com 2011-09-09 09:47:03 腾讯科学  发表评论


探索出新领域

  据国外媒体报道,位于德国的普朗克研究所科学家通过三次实验,并且在第三个实验中发现暗物质的迹象。在整个发现过程中,所遇到的问题远大于获得的答案,而在前两个实验中,却没有发现暗物质的迹象。暗物质则被认为是只能通过重力效应被探测到,是星系之间相互维系的一种重要力量,其占到了宇宙中所有物质质量的85%。

  本次由普朗克研究所进行的探索暗物质的实验被称为CRESST II计划,是作为全世界范围内数个暗物质探索项目的其中之一,该实验使用了几十个超低温的钙钨晶体,确切的说是使用了钨酸钙晶体(CaW04),在意大利大萨索山下,极深地下实验室内去寻找暗物质踪迹。实验过程中,科学家将钨酸钙晶体(CaW04)作为高灵敏度的探测装置,当粒子击中钨酸钙晶体的时候,晶体散发出光脉冲,接着高灵敏度的温度计测量碰撞过程中产生的能量。探索暗物质的方法多数是采用惰性液体探测器和低温探测器,这两种方法都可以从射线粒子与电子的碰撞中区分出暗物质与核子之间的碰撞。

  在惰性气体探测器中,也是暗物质直接探测方法的主流,绝大多数粒子来源于非常普通的宇宙射线,进行这项探索暗物质的实验,必须在排除其他干扰的情况下进行,在意大利大萨索山进行的CRESST II实验,就是使用了大山作为屏蔽体,一公里厚度的岩石将宇宙射线的背景噪声排除在外,这是因为暗物质粒子被认为与普通粒子之间的相互作用极为微弱,需要在位于地表下极深的实验室中进行。

  位于德国慕尼黑的马克斯普朗克物理研究所的科学家弗朗茨普罗伯斯特(Franz Pröbst )和延斯施梅勒(Jens Schmaler)领导的研究小组,在2009年至2010年4月之间,进行了大约20次的碰撞实验,但是这些实验中都没有发现情况。而根据研究小组的成员费代里卡彼得里卡(Federica Petricca)认为:在该实验中,可能有暗物质涉及。费代里卡研究员在慕尼黑举行的天体物理与地下物理实验为主题的会议上进行了相关研究的报告。

  如果正如费代里卡研究员所说,在该碰撞实验中有暗物质涉及,那碰撞产生的能量可被带入暗物质模型以产生对粒子质量的估算。使用处于世界领先地位的暗物质理论模型,在这个模型中,组成弱相互作用的粒子被称为中性子,而在CRESST II实验中,结果显示其质量在10-20千兆电子伏特之间。在之前的预测值中,科学家估计其范围在10到1000千兆电子伏特之间。这个范围的估计方法,则是科学家预测在早期宇宙中产生的粒子,有多少最终转变为了中性子。

  另外,在以前进行的两次实验中,普朗克研究所的科学家发现了低质量暗物质的踪迹。位于美国明尼苏达州CoGeNT暗物质探索计划,位于700米深SOUDAN地下实验室,是有一个废旧的矿井改建而成,使用高纯度的锗作为探测器来观测碰撞产生的电信号。还有最著名的意大利GRAN SASSO 地下实验室,深达1700米。这两处极深地下实验室也探测到了在7到20千兆电子伏特的信号。而普朗克研究所所做的两次实验却没有发现类似的情况,基本没有显示出应该有的信号特征,

  科学家认为:CRESST II的20个碰撞结果中,依然潜伏着暗物质的踪迹,只是目前科学家还没有找到相关的解决办法。根据位于罗马的意大利国家核物理研究所科学家贝利皮耶路易吉(Belli Pierluigi)介绍:我们现在需要更多的数据,而且还不知道这些数据够不否,有哪些必须具备的确凿因素。

  目前,CRESST II暗物质探索计划的研究小组正在继续进行实验,并希望在明年得出较为敏感的实验结果。印第安纳州普渡大学研究人员拉斐尔郎(Rafael Lang),同时也是XENON100研究团队的成员,他认为 :研究暗物质是何物,以及它具有哪些性质,对人类而言是一个全新的东西,如果我们在下一步的实验中,它们出现的信号能保持,那将是一件非常有趣的事情,而且,关于暗物质的信号,XENON100研究团队也希望能早点儿看到它们。相比较暗物质而言,我们看到的将是非同寻常的全新概念的物理景观。

  普朗克研究所探索暗物质的地下极深实验室仅仅是全球数个暗物质研究的基地之一,而美国航空航天局的费米探测器目前以及证实了一个信息,那就是在未来的研究中,我们还可能会探测到比预期值更多的反物质。(Everett/编译)

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