什么是暗物質(zhì)？它的發(fā)現將有什么重要意義？與“上帝粒子”的發(fā)現相比，暗物質(zhì)發(fā)現更重要嗎？帶著(zhù)這些問(wèn)題，早報記者采訪(fǎng)了中科院理論物理研究所研究員李淼。
■ 中科院理論物理研究所研究員李淼科普暗物質(zhì)
加拿大SNO地下實(shí)驗室 ?。ǖ叵?000米，2008年建成）
意大利GRAN SASSO 地下實(shí)驗室 ?。ǖ叵?700米，1987年建）
中國錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗室實(shí)驗廳 ?。ǖ叵?400米，2010年投入使用）
全球主要地下實(shí)驗室分布圖?！ ≈茍D 郁斐
什么是暗物質(zhì)？它的發(fā)現將有什么重要意義？與“上帝粒子”的發(fā)現相比，暗物質(zhì)發(fā)現更重要嗎？帶著(zhù)這些問(wèn)題，早報記者采訪(fǎng)了中科院理論物理研究所研究員李淼。
東方早報：暗物質(zhì)與暗能量是一回事情嗎？
李淼：暗物質(zhì)有點(diǎn)像物質(zhì)粒子，只是不發(fā)光而已；暗能量根本就不是粒子。暗能量這個(gè)概念相對年輕些，形成只有10年。暗物質(zhì)這個(gè)概念就很老了，可以追溯到1933年，那一年天文學(xué)家Zwicky發(fā)現一個(gè)星系團中的星系速度比預期的要大，根據牛頓萬(wàn)有引力定律，意味著(zhù)星系之間還有很多我們沒(méi)有看到的物質(zhì)，當時(shí)叫丟失了的物質(zhì)。
東方早報：黑洞是暗物質(zhì)嗎？
李淼：黑洞與死掉的恒星都是存在的，但是天文學(xué)家通過(guò)觀(guān)測，通過(guò)微引力透鏡的手段觀(guān)測到，所有死掉的恒星和黑洞，它們的質(zhì)量加起來(lái)，不足以解釋暗物質(zhì)。因為暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的25%（外電報道稱(chēng)是23%），恒星和黑洞質(zhì)量加起來(lái)遠遠不到這個(gè)量。
東方早報：人會(huì )被一堵墻擋住，太空飛船在太空飛行時(shí)會(huì )被暗物質(zhì)擋住嗎？
李淼：不會(huì )。暗物質(zhì)為什么會(huì )有那么大的質(zhì)量呢？暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)的相互作用很弱，但這并不代表沒(méi)有質(zhì)量。暗物質(zhì)與其他物質(zhì)伴生，有物質(zhì)的地方就有暗物質(zhì)，但分布得更廣。比如說(shuō)，在有恒星、星系的地方一定有暗物質(zhì)，但暗物質(zhì)要比這些星系占的空間大許多，所以暗物質(zhì)的質(zhì)量比星系質(zhì)量大。
東方早報：報道中稱(chēng)，WIMP只是暗物質(zhì)的一個(gè)候選體，什么叫候選體？
李淼：暗物質(zhì)有很多種可能性，只要有質(zhì)量不發(fā)光就行，最早的可能性是死掉的恒星或黑洞，但這種可能性被天文學(xué)研究所排除，粒子的可能性更大，如果是粒子的話(huà)，就有幾種可能性，一種極弱相互作用，也可能是一種特別的中微子。如果極弱相互作用，正負電子對會(huì )反常，其他中微子不會(huì )有這樣的效果。
東方早報：如果暗物質(zhì)真的被發(fā)現，有應用價(jià)值嗎？
李淼：應用價(jià)值暫時(shí)談不上，但起碼解決了一個(gè)多年的謎題。通過(guò)萬(wàn)有引力很難解釋一些物理現象，太陽(yáng)系或者銀河系為何能維持現在的狀態(tài)，光靠可見(jiàn)物質(zhì)的引力是無(wú)法解釋的，但在暗物質(zhì)的假設模型里就可以解釋。
東方早報：暗物質(zhì)如果被發(fā)現，會(huì )動(dòng)搖量子理論和相對論嗎？
李淼：它不會(huì )動(dòng)搖20世紀的量子理論和相對論，還是在這個(gè)框架內解釋。
東方早報：去年科學(xué)家發(fā)現了“上帝粒子”，如果這次的發(fā)現最后被證實(shí)是暗物質(zhì)，兩個(gè)發(fā)現哪個(gè)更重要？
李淼：這個(gè)發(fā)現要比“上帝粒子”發(fā)現更重要。如果沒(méi)有上帝粒子，我們的粒子標準模型就是不完備的。但是如果沒(méi)有暗物質(zhì)，粒子標準模型也是完備的，只是天文學(xué)家和宇宙學(xué)家會(huì )困惑。如果丁肇中團隊的發(fā)現被確認，這肯定是這幾十年來(lái)的重要科學(xué)發(fā)現。
延伸閱讀
中國暗物質(zhì)實(shí)驗室全球最深，條件最好
地下實(shí)驗室是暗物質(zhì)實(shí)驗一個(gè)必不可少的條件。目前，全球的地下實(shí)驗室有十幾個(gè)，為了避免專(zhuān)門(mén)挖掘地下實(shí)驗室的高成本，它們都是利用已有的土建設施，基本分為兩類(lèi)，一類(lèi)是利用廢棄的礦井，比如美國700米深的SOUDAN地下實(shí)驗室，在建的DUSEL地下實(shí)驗室有幾百米到2400米深的多個(gè)實(shí)驗廳。另一種是利用隧道，在隧道里橫向挖出實(shí)驗大廳。最著(zhù)名的有意大利的GRAN SASSO 地下實(shí)驗室，入口建在一條10公里長(cháng)高速路隧道的中部，上方有1700米巖石覆蓋，實(shí)驗室內有3個(gè)各100米長(cháng)、20米寬、20米高的實(shí)驗大廳和眾多較小的實(shí)驗廳和通道，內容積目前世界第一。
2010年12月，中國錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗室正式掛牌。該地下實(shí)驗室有一個(gè)40米長(cháng)、6.5米寬、8.5米高的實(shí)驗大廳，盡管目前大廳總容積不是很大，但它是目前世界上條件最好的地下實(shí)驗室：首先，它是當前世界上最深的地下實(shí)驗室，上方有2.5公里巖層覆蓋，宇宙射線(xiàn)通量最少，每平方米每周只有一個(gè)μ子通過(guò)，比意大利GRAN SASSO實(shí)驗室小300倍。其次，地下實(shí)驗室所在處不是花崗巖，而是大理巖，其自然放射性相當低，實(shí)驗檢測發(fā)現其天然放射性比洞外的巖石都低，和意大利GRAN SASSO的巖石相比，放射性元素鈾的含量低了3倍。這些都為暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗提供了非常好的條件。目前地下實(shí)驗室的各個(gè)物理參數，包括宇宙射線(xiàn)通量、光子和中子的通量，都在測量之中。
DAMA實(shí)驗
DAMA實(shí)驗位于意大利的GRAN SASSO地下實(shí)驗室，選取碘化鈉晶體做探測器，使用了非常靈敏的光電管來(lái)探測碰撞后產(chǎn)生的光信號，光電管可以探測到一個(gè)光子（肉眼在白天每秒會(huì )看到1016個(gè)光子）。中科院高能所有幾位科學(xué)家是該實(shí)驗組成員。DAMA經(jīng)過(guò)了十幾年的觀(guān)測，宣布發(fā)現了WIMP的年調制信號，所謂年調制， 是指WIMP相對于太陽(yáng)的速度是一定的，而地球在圍繞太陽(yáng)公轉，因此，WIMP相對于地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信號的事例率也會(huì )有周期一年的起伏。不過(guò)這一結果沒(méi)有得到其他實(shí)驗組的證實(shí)。
CRESST實(shí)驗
CRESST實(shí)驗同樣位于GRAN SASSO，該實(shí)驗使用鎢酸鈣（CaWO4）晶體作為探測器。它們將晶體冷卻到零下273攝氏度，只比絕對零度高0.05攝氏度。WIMP碰撞的熱信號會(huì )造成晶體溫度升高0.01攝氏度，再通過(guò)高靈敏度的“溫度計”來(lái)測量溫度變化。CRESST一期結果已經(jīng)發(fā)表，沒(méi)有找到暗物質(zhì)，二期結果正在分析之中。
XENON100實(shí)驗
位于GRAN SASSO地下實(shí)驗室的XENON100實(shí)驗是目前靈敏度最高的實(shí)驗之一，上海交通大學(xué)是參加實(shí)驗單位之一。XENON100使用了165公斤的液氙作為探測器，能夠探測光信號和電信號，通過(guò)兩者之間的比例關(guān)系，可以更有效地區分WIMP信號和外界普通粒子引起的信號，從而大大提高了實(shí)驗靈敏度。在2010年初發(fā)表了一個(gè)月的觀(guān)測結果，并沒(méi)有看到暗物質(zhì)粒子。目前該實(shí)驗已經(jīng)采集了一年的數據，正在緊張地進(jìn)行數據分析。是否會(huì )發(fā)現暗物質(zhì)粒子，大家都拭目以待。
CDMS實(shí)驗
CDMS實(shí)驗位于美國SOUDAN地下實(shí)驗室，它使用硅晶體和鍺晶體作為探測器。CDMS經(jīng)過(guò)一年多的觀(guān)測，在2009年底發(fā)表了測量結果，宣布找到了兩例疑似WIMP信號事例。盡管有一定的可能性是噪聲事例，還是引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。
CoGeNT實(shí)驗
CoGeNT實(shí)驗使用高純鍺探測器來(lái)觀(guān)測WIMP碰撞產(chǎn)生的電信號，也發(fā)現了疑似信號事例，還有待于進(jìn)一步證實(shí)。
（該內容引自上海交通大學(xué)粒子物理宇宙學(xué)研究所研究員劉湘《尋找暗物質(zhì)，錦屏來(lái)了》一文）
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