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天文探索:暗物质之谜的解开,将是天文学和物理学的一次大飞跃

天文探索:暗物质之谜的解开,将是天文学和物理学的一次大飞跃

作者:科技科学    来源:未知    发布时间:2019-12-13 16:12    浏览量:

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。

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现在已经确定了希格斯玻色子,大型强子对撞机的科学家们已经把目光投向了一个更加难以捉摸的目标。我们周围到处都是暗物质和暗能量:一种将星系“捆绑”在一起的无形物质,但没有人能够直接探测到。芝加哥大学(University of Chicago)物理学教授王连涛研究如何在大型粒子加速器中找到信号。王连涛教授以及来自芝加哥大学和隶属于芝加哥大学的费米实验室科学家们,认为他们可能能够带领我们找到踪迹。

暗物质,由1930年初在瑞士的天文学家弗里兹·扎维奇发现的,暗物质的质量占宇宙的96%!

2010年12月12日,中国首个极深地下实验室——锦屏地下实验室落成。实验室位于四川雅砻江锦屏水电站下方,深度达2400米,是全世界岩石覆盖最深的实验室。中国自此拥有世界一流的暗物质实验室,能够自主开展暗物质探测等前沿课题研究。

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暗物质是理论上存在的一种物质,如其名字所示,它的特点就是“暗”。我们现在所知的一切物质都是可感知的,因为它们带有电子,在感知时产生了电磁场的相互作用。而暗物质是不带电荷的,所以它非常“暗”,暗到人们无法观测到。

发表在《物理评论快报》上的一篇论文中,他们提出了一种利用潜在粒子略慢的速度跟踪大型强子对撞机暗物质的创新方法。虽然暗物质和暗能量占了宇宙的95%以上,但科学家们只从它的影响中知道它存在——就像一个爱捣乱的人,你只能看到它把架子上的东西推开。例如,我们知道暗物质的存在,因为我们可以看到重力作用在暗物质上,这有助于束缚星系飞离。理论学家认为有一种特殊的暗粒子只偶尔与正常物质发生相互作用,比其他已知粒子更重,寿命更长,寿命可达0.1秒。

暗物质和暗能量

科学家只是通过现有理论无法解释的一些现象,推断出了暗物质的存在。据计算,宇宙只有4.9%的组成成分是我们认识到的物质,还有26.8%是暗物质,另外68.3%的物质称为暗能量。

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1915年,爱因斯坦根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为:宇宙是有限封闭的。所以,世界上有很多科学团队在试图找到它。实际上,暗物质本身我们根本无法捕获,只能从它与其他物质偶然发生的碰撞所产生的蛛丝马迹,来捕捉它的身影。

众所周知,上个世纪,物理学的天空中曾出现过“2朵乌云”,最终催生了相对论和量子力学。如今,暗物质和暗能量被认为是本世纪物理学的2朵乌云,是物理学体系产生革命性突破最有潜力的方向,全球科学家正绞尽脑汁寻找这种东西。

研究人员相信,这种粒子在10年内会有几次被大型强子对撞机不断制造和测量的质子碰撞所捕获。一个特别有趣的可能性是,这些长寿的暗粒子以某种方式与希格斯玻色子耦合,希格斯粒子实际上有可能衰变为这些长寿粒子。唯一的问题是把这些事件从其他事件中分离出来;在27公里的大型强子对撞机中,每秒有超过10亿次碰撞,每一次都向四面八方发射亚原子箔条。王连涛教授、芝加哥大学博士后研究员刘佳和费米实验室的科学家刘震(现就职于马里兰大学)提出了一种新方法来探索这种暗粒子的一个特定方面。

因此,科学家最直接的方法就是捕捉暗物质与某个原子核相碰撞时发出的信号。

目前,全世界寻找暗物质的主流方向有3个,一是用加速器让粒子对撞,看能不能撞出过去没见过的结果;二是用暗物质卫星在宇宙中观测;三是在地下实验室中测量暗物质粒子与探测器靶核碰撞之后产生的信号。

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