暗物質(zhì)或許會(huì)與地球上的礦物發(fā)生相互作用，留下線索以待物理學(xué)家研究。地球上二十多個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在努力尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)。雖然實(shí)驗(yàn)過程越來越復(fù)雜，搜索也越來越精確，然而，除了意大利實(shí)驗(yàn)室發(fā)出備受爭議的信息外，還沒有人找到神秘物質(zhì)存在的直接證據(jù)。暗物質(zhì)物質(zhì)被認(rèn)為占據(jù)了宇宙物質(zhì)的84%。一項(xiàng)新的研究表明，我們應(yīng)該進(jìn)行更深入的研究。暗物質(zhì)不同于普通的重子物質(zhì)，除了通過引力(或許還有微弱的核力)它不會(huì)與任何物質(zhì)相互作用。也無法看見它，但物理學(xué)家們幾乎可以肯定暗物質(zhì)存在于塑造星系和它們的宇宙路徑中。

博科園-科學(xué)科普：幾十年來，暗物質(zhì)粒子的理想候選者一直是弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMPs)。許多實(shí)驗(yàn)都是通過尋找弱相互作用大質(zhì)量粒子出現(xiàn)并撞擊普通物質(zhì)的證據(jù)來證明弱相互作用大質(zhì)量粒子存在。在這種情況下，弱相互作用粒子會(huì)通過弱作用力撞擊原子核，受撞擊的原子核會(huì)反沖并釋放出某種形式的能量，如閃光或聲波。探測這種幾乎覺察不到的現(xiàn)象需要埋在地底深處非常靈敏的儀器。由于宇宙射線也會(huì)導(dǎo)致原子核反沖，將儀器埋藏在地底深處可以屏蔽宇宙射線帶來的影響。

在搜尋微弱脈沖信號(hào)幾十年后，科學(xué)家們幾乎沒有確鑿的證據(jù)來證明這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，波蘭、瑞典和美國的一組物理學(xué)家有了另一個(gè)想法?？茖W(xué)家們認(rèn)為，不要只將關(guān)注點(diǎn)集中在地殼下探測器中的鍺、氙和閃爍體，也要關(guān)注地殼本身。在保留著太陽系過去的巖石記錄中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)撞擊原子核的反沖化石，以及一個(gè)弱相互作用大質(zhì)量粒子的冰凍印記。密歇根大學(xué)(University of Michigan)理論物理學(xué)家凱瑟琳·弗雷斯(Katherine?Freese)說：我們一直在尋找替代方法。根據(jù)弗里斯和同事們的說法，地下古生物探測器的工作原理與目前的直接探測方法類似。

為了實(shí)時(shí)觀察弱相互作用大質(zhì)量粒子的反沖過程，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室中裝備了大量的液體或金屬，用于尋找弱相互作用大質(zhì)量粒子撞擊原子核的化石痕跡。當(dāng)原子核反沖時(shí)，它們會(huì)在某些礦物中留下?lián)p傷痕跡。如果原子核以足夠的能量反沖，被擾動(dòng)的原子被深埋在地下(以保護(hù)樣本不受可能使數(shù)據(jù)變得混亂的宇宙射線的影響)，那么反沖軌跡就可以被保留下來。如果事實(shí)如此，研究人員也許能夠挖出巖石，剝離時(shí)間層，并利用原子力顯微鏡等先進(jìn)的納米成像技術(shù)探索很久以前的事情。最終的結(jié)果將是一個(gè)化石軌跡：暗物質(zhì)將類似于發(fā)現(xiàn)蜥腳類動(dòng)物逃離捕食者時(shí)的足跡。

1、微弱的訊息

大約五年前，弗里斯開始和安杰伊·德魯科爾（Andrzej Drukier）討論新探測器的類型。安杰伊·德呂基耶是斯德哥爾摩大學(xué)的物理學(xué)家，他的職業(yè)生涯從研究暗物質(zhì)探測開始，之后轉(zhuǎn)向生物物理學(xué)領(lǐng)域。他們與生物學(xué)家喬治·丘奇(George Church)共同提出了基于DNA和酶反應(yīng)的暗物質(zhì)探測器的想法。2015年德魯科爾前往俄羅斯新西伯利亞，研究一種藏在地球表面下的生物探測器原型。俄羅斯冷戰(zhàn)期間的挖掘的深井讓德魯科爾十分感興趣。這些井深達(dá)12公里，宇宙射線都無法穿行那么遠(yuǎn)。典型的暗物質(zhì)探測器相對較大，對突發(fā)事件高度敏感。搜索工作持續(xù)了多年，大多數(shù)情況下，他們在尋找實(shí)時(shí)的弱相互作用大質(zhì)量粒子訊息。

雖然礦物相對較小，對弱相互作用大質(zhì)量粒子的相互作用不那么敏感，但它可能成為一項(xiàng)持續(xù)數(shù)億年研究的典范。德魯科爾說：從極深的地核中取出的大塊巖石實(shí)際上有十億年的歷史，越往深處探尋，巖石就越古老，所以你或許不需要建造一個(gè)探測器，因?yàn)榈孛嫔嫌幸粋€(gè)探測器。地球充滿了放射性鈾，當(dāng)它衰變時(shí)會(huì)產(chǎn)生中子，中子也可以撞擊原子核。弗雷斯說，研究小組最初描述古探測器的論文沒有考慮到鈾衰變產(chǎn)生的噪音，但其他感興趣的科學(xué)家發(fā)表了大量評論，讓他們回去修改。研究小組花了兩個(gè)月的時(shí)間研究了數(shù)千種礦物，以了解哪些礦物是從鈾衰變中分離出來。

這些科學(xué)家認(rèn)為，最好的古生物探測器應(yīng)該由海洋蒸發(fā)巖(基本上是巖鹽)或含有少量二氧化硅的巖石(即超基性巖石)組成。此外還尋找了含有大量氫的礦物，因?yàn)闅淠苡行У刈柚光櫵プ儺a(chǎn)生的中子。麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)的理論物理學(xué)家特雷西·斯拉特耶(Tracy Slatyer)說：尋找化石反沖可能是尋找弱相互作用大質(zhì)量粒子的好方法。這就好像在尋找一個(gè)似乎沒有原因跳躍的原子核，它必須跳躍一定的距離，才能看到它。如果我把一個(gè)乒乓球扔向保齡球，會(huì)看到乒乓球的跳躍過程，不會(huì)看到保齡球的運(yùn)動(dòng)過程，但實(shí)際上通過一些方法或許能觀看到保齡球的運(yùn)動(dòng)過程。

2、最困難的實(shí)驗(yàn)

研究所涉及的實(shí)地工作并不容易，實(shí)驗(yàn)必須在地下深處進(jìn)行，在那里核心樣本將受到宇宙和太陽輻射的保護(hù)。這同時(shí)需要最先進(jìn)的納米成像技術(shù)來解決原子核移動(dòng)的問題。斯拉特耶說：即使大質(zhì)量弱相互作用粒子確實(shí)留下了可觀察到的線索，古生物探測器的主要關(guān)注點(diǎn)將是確?；壽E真的來自于暗物質(zhì)粒子。研究人員將不得不花大量時(shí)間證明反沖不是受中子、太陽中微子或其他物質(zhì)影響產(chǎn)生。或許可以進(jìn)入到相當(dāng)深的地方去躲避宇宙射線，但這并不可控。這不是實(shí)驗(yàn)室，你可能不太了解巖石礦床的歷史。即使聲稱是它發(fā)出了信號(hào)，但你也需要進(jìn)行更多工作才能確信沒有被某種因素蒙蔽。德魯科爾和弗雷斯都表示，古探測器的優(yōu)勢在于數(shù)量。

巖石中含有大量礦物質(zhì)，每一種礦物質(zhì)的原子核都以不同方式從掠奪的弱互相影響大量粒子中反彈。因此不同元素將充當(dāng)不同的探測器，所有這些探測器都包裹在一個(gè)核心樣本中。弗雷斯說：這將允許實(shí)驗(yàn)人員觀察反沖光譜，檢驗(yàn)結(jié)果，并有可能得出關(guān)于弱相互作用大質(zhì)量粒子的結(jié)論。在未來，一臺(tái)古生物探測器甚至可以提供一段時(shí)間內(nèi)的弱相互作用大質(zhì)量粒子記錄，就像化石記錄可以讓古生物學(xué)家重建地球上生命歷史一樣。對斯拉特耶來說，這一長時(shí)間的記錄可以提供一個(gè)獨(dú)特銀河系暗物質(zhì)暈的探測器。暗物質(zhì)暈是一種由不可見物質(zhì)組成的云，在太陽系圍繞銀河系中心運(yùn)行2.5億年的過程中，地球會(huì)穿過它。

了解銀河系暗物質(zhì)暈如何分布可以幫助我們了解它的物理行為，甚至可以證明暗物質(zhì)是否以超越引力的方式與自身相互作用。這一理論模型仍然處于非?；钴S的發(fā)展階段。然而，這離現(xiàn)實(shí)還很遙遠(yuǎn)。德魯科爾和弗雷斯表示，古探測器首先必須證明它能夠找到已知粒子(如太陽中微子)留下的反沖軌跡，然后證明它們能從普通的反沖中分離出弱互相影響大量粒子軌跡。這是一個(gè)重大的角度變化，我們能找到暗物質(zhì)嗎？我花了35年尋找它，這可能是世界上最困難的實(shí)驗(yàn)之一，我們或許會(huì)不走運(yùn)，但這的確很酷。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《天文與天體物理學(xué)報(bào)》,《arxiv》

文: Rebecca Boyle/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI:?10.1051/0004-6361/201833355

Cite: arXiv:1806.05991

Cite:?arXiv:1403.8154

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