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“暗物質粒子是兔，普通物質的原子是樹。”
“今後10年，暗物質的直接探測靈敏度將改善兩到三個數量級，中國的暗物質直接探測團隊有望對這個歷史性的結論作出貢獻。”10月28日，李政道研究所資深學者、上海交通大學鴻文講席教授季向東，在未來論壇透露瞭我國直接探測暗物質的最新情況。
暗物質可台中月子中心評比能如同霧霾，把銀河系圍在瞭其中
去年，引力波的發現，使得愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言得到驗證。但是從上世紀20年代起，有越來越多的證據表明，牛頓和愛因斯坦的引力理論在星系到宇宙的尺度上可能是錯的。科學傢們猜測，宇宙中可能有大量的、看不見的暗物質。
這種猜測並非是空穴來風。在銀河系裡，所有的星星都繞著銀河系的中心轉動，根據牛頓萬有引力，太陽轉動的速度和銀河系的質量以及太陽離銀心的距離直接相關。由此可以推出太陽的轉動速度應該是每秒170公裡，但實際測到的速度約為每秒220公裡到250公裡。如果牛頓和愛因斯坦的引力理論是正確的，那麼我們所看見的是普通的原子和分子，它們隻占銀河系的一小部分。大量的暗物質可能形成瞭球狀的暈，“就如同霧霾一樣，把銀河系包圍在瞭其中。”
直接探測暗物質，有點像守株待兔
今天，幾乎所有的天文學傢認為暗物質的存在是沒有疑問的。但問題是——它到底是什麼，和普通物質有什麼關系。
最流行的一種理論猜想是，它是一種具有弱相互作用的重粒子。說到原子內部的弱相互作用，李政道和楊振寧正因為研究它而獲得諾貝爾獎。重粒子是指比起氫、氦原子等重很多的粒子。
目前探測暗物質主要有三種辦法：加速器產生、間接探測和直接探測。如果暗物質具有弱相互作用，可以在大型對撞機中產生。我國去年發射的“悟空”暗物質衛星，就是一種間接探測，對準銀河系中心來觀測。
什麼是直接探測？太陽系在銀河系的暗物質“霧霾”中以每秒220公裡的速度高速飛行，暗物質象傾盆暴雨一樣下到我們身上，毫不費力地穿過，向著遠方飛逝而去。每秒鐘每平方厘米穿過的暗物質粒子高達幾十萬個。暗物質粒子可能有弱相互作用，通過這種相互作用，它們會和普通的原子發生概率微乎其微的碰撞，把原來靜止的原子撞得“飛起來”，而撞飛的原子是可以觀察到的，這就叫直接探測。“這有點像守株待兔，暗物質粒子是兔，普通物質的原子是樹。”季向東說。
我們的身體裡面大概有一千億億億個原子，每秒鐘穿透我們身體的暗物質粒子有上億個，如果等上一天，被撞飛的原子還不到一次。但是，我們身體裡的原子每天被宇宙線等撞飛的次數大概台中產後照護推薦有上億次。可以想象，如果在地面上等“兔子”來撞“樹”的話，會完全湮滅在環境噪音裡。
這就是為什麼直接探測暗物質需要躲到非常深的地底下去。每往地下去一千米的等效水深，宇宙線的幹擾大概少十倍。2010年，清華大學和雅礱江水電開發有限公司在四川錦屏，距離地下2400米深的地方，建立瞭世界上最深的地下實驗場所，那裡的宇宙線幹擾少瞭一百萬倍。
從120公斤到500公斤，再到30噸
如今，在錦屏主要有兩支實驗團隊，一支由清華大學主導，以高純鍺作為探測材料；另一支團隊則是由上海交大主導，以液氙作為探測材料。
氙是惰性元素，在空氣中有千萬分之一的含量。為什麼要用氙來探測暗物質呢？季向東介紹，氙在零下100度的時候會變成無色透明的液體，當暗物質粒子撞上氙原子，撞飛的氙原子會發光、發電，而光和電可以通過“光電管”放大1千萬倍來觀察。
研究團隊一開始用的是120公斤級的探測器，2014年發表的探測結果，把世界上“看到”的所謂粒子信號統統都排除瞭。接下來，又做瞭一個500公斤級的探測器，2016年開始運行，是當時世界上最大的暗物質探測器。從運行的三個月數據來看，在探測器裡發現瞭2450萬次“樹”的搖動，但沒有找到暗物質。今年，取得瞭比歐洲和美國更靈敏的探測結果。“有可能長時間找不到暗物質，這就如同一艘船在太平洋失聯瞭，但我們可以在某一個區域去搜，如果沒有發現這條船，就把這個區域排除瞭，這也是一個很重要的成果。”
該團隊計劃未來做一個30噸的探測器，30噸大概是世界一年的氙產量，如此一來，氙的價格可能會水漲船高。
來源：上觀新聞 2017.10.29
原文：季向東：未來要做一個30噸的暗物質直接探測器，守株待兔
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