揭秘英國地下800米處暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗室

　　一組天體粒子物理學(xué)家正在位于英國約克郡地下超過(guò)半英里(約合804米)的實(shí)驗室搜尋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)非常神秘，一直就是最大的宇宙謎團之一，即使參加這項實(shí)驗的科學(xué)家也不確定暗物質(zhì)是否真實(shí)存在或者最終能否發(fā)現這種物質(zhì)。3月，實(shí)驗結果將浮出水面，如果如愿以?xún)數匕l(fā)現暗物質(zhì)，這一發(fā)現將徹底改變科學(xué)界的面貌。

　　位于地下深處

　　搭乘一個(gè)漆黑一片的狹窄貫籠，感受氣流在身邊迅速穿過(guò)，經(jīng)過(guò)6分半的下降之旅，你便來(lái)到這個(gè)地下實(shí)驗室。實(shí)驗室最深處與地面的距離超過(guò)0.5英里，位于北約克郡荒野地下，溫度達到40攝氏度。如果出現任何差錯，你將困在充滿(mǎn)水的巖層下方，深度達到33名智利礦工被困礦井的兩倍。慶幸的是，這些礦工最終成功獲救。

　　當然了，在冬季的早晨，搭乘貫籠進(jìn)入波爾比鉀鹽礦的科學(xué)家并沒(méi)有這種擔憂(yōu)。如果有此擔憂(yōu)，他們無(wú)疑選錯了地方。為了成功完成尋找和研究暗物質(zhì)的這項工作，他們只能進(jìn)入地下深處，防止遭到轟擊地球表面的宇宙射線(xiàn)和輻射的影響。

　　他們身穿橙色連體工裝，佩戴護脛，腳蹬安全靴，頭戴安全帽，帽子上裝有照明燈，身上還綁著(zhù)一條大帶子，同時(shí)配備必需的自救設備 (緊急呼吸器)。雖然從裝扮上看，他們與礦工并無(wú)差異，實(shí)際上，他們的真實(shí)身份是物理學(xué)家，進(jìn)入礦井的目的并不是為了尋找這座礦井的主產(chǎn)品——鉀鹽和巖鹽，而是尋找更為難于捉摸的暗物質(zhì)。迄今為止，還沒(méi)有人證明暗物質(zhì)真實(shí)存在。

　　在礦井的底部，礦工朝著(zhù)一個(gè)方向——朝向礦井一面——前進(jìn)，科學(xué)家則朝著(zhù)另一個(gè)方向前進(jìn)，穿過(guò)一條長(cháng)地道向地下前進(jìn)。礦井的這部分呈蜂窩結構，地道的總長(cháng)度超過(guò)600英里(約合965公里)。只要不想到上方的巖石和水，你不會(huì )得幽閉恐怖癥。地道內又高有寬，可并排容納兩輛路虎汽車(chē)。據一名煤礦礦工透露，由于地道主要是在巖鹽礦脈中挖掘，封閉的速度較為緩慢。這里的溫度較為適度，礦井內的鹽就在嘴邊，呼吸的空氣能夠感覺(jué)到鹽的氣息。

　　進(jìn)入前先吸塵

　　科學(xué)家爬進(jìn)一輛使用柴油機的路虎，其在制造上能夠在地下使用時(shí)保證消防安全。在前行了800碼(約合731米)后，他們將車(chē)停在旁邊的一個(gè)小地道內。這條地道通往一個(gè)采用膠合板結構的簡(jiǎn)易交流區。來(lái)自上方的壓力導致這里開(kāi)始出現裂縫，現正等待重建。

　　在交流區暫作休息，喝一杯咖啡之后，他們沿著(zhù)一條狹窄的通道繼續向下前進(jìn)，進(jìn)入一個(gè)更衣區。在這里，他們換上干凈的靴子和帽子，穿上一次性拉鏈式白色連體工裝。地下實(shí)驗室一定要保持潔凈，這也就是為什么他們在進(jìn)入前就換上干凈的工作服。此外，他們還要穿過(guò)一個(gè)封閉的真空吸塵裝置，吸掉身上的每一粒塵土。形象地說(shuō)，就如同洗了一個(gè)澡。完成這些準備工作之后，他們才可以進(jìn)入實(shí)驗室。

　　這個(gè)地下實(shí)驗室并不起眼，長(cháng)300英尺(約合91米)，墻壁采用紫紅色防火涂料，看上去有點(diǎn)恐怖。頂部是滑行裝置，用于兩噸重的起重機運送重型設備，墻邊擺著(zhù)大量測量設備、電腦顯示器、表盤(pán)、電線(xiàn)和儀表。中央是兩個(gè)主實(shí)驗儀器，表面上體現不出它們的重要性。它們將幫助科學(xué)家揭開(kāi)宇宙的一個(gè)最大謎團。

　　其中一個(gè)實(shí)驗儀器主要由一個(gè)巨大的盒子構成，體積70立方英尺(約合2立方米)，外面包裹著(zhù)難看的透明聚丙烯塑料布，看起來(lái)似乎是最近才運到實(shí)驗室的，上沒(méi)來(lái)得及拆封。另一個(gè)實(shí)驗設備也是一個(gè)立方體，現已被大卸八塊，來(lái)自加利福尼亞州的一名教授正對其進(jìn)行維修。這個(gè)設備由一系列框架構成，好似一個(gè)雞蛋切片機，它的電線(xiàn)很細，細到讓人不敢近距離觀(guān)察，唯恐一不小心摔倒，壓壞這個(gè)造價(jià)數千英鎊的設備。

　　這兩個(gè)實(shí)驗儀器一個(gè)是暗物質(zhì)探測器，被稱(chēng)之為“ZEPLIN-III”，另一個(gè)是暗物質(zhì)望遠鏡，被稱(chēng)之為“DRIFT-II”，它們均在與時(shí)間賽跑，尋找在宇宙中占據重要位置的暗物質(zhì)�？茖W(xué)家認為暗物質(zhì)在宇宙的比重高達80%以上。

　　可能一無(wú)所獲

　　在科學(xué)界，尋找暗物質(zhì)是眾多物理學(xué)家為之奮斗的目標，發(fā)現者的名字將被永遠載入史冊，與牛頓和愛(ài)因斯坦齊名。但令人感到備受挫折的是，這種物質(zhì)非常神秘，參與這一項目的科學(xué)家中沒(méi)有一個(gè)人確切知道暗物質(zhì)是否真實(shí)存在。

　　歐洲核子研究組織耗資60億英鎊(約合96億美元)的大型強子對撞機座落于瑞士，尋找暗物質(zhì)也是這一龐大項目的目標之一。此外，美國和歐洲的其他一系列項目也將尋找暗物質(zhì)作為一個(gè)重要目標。英國此次尋找暗物質(zhì)的努力一年的費用不到100萬(wàn)英鎊(約合160萬(wàn)美元)。

　　加利福尼亞州教授斯諾登·伊夫特從洛杉磯的西方學(xué)院飛到英國，進(jìn)入地下實(shí)驗室修理暗物質(zhì)望遠鏡。他表示：“我真的不知道我正在尋找的這種粒子是否真實(shí)存在。我們可能只是白費心機，根本找不到暗物質(zhì)�！�

　　如何成功發(fā)現暗物質(zhì)呢?ZEPLIN-III項目負責人、倫敦帝國學(xué)院講師亨里克·阿勞霍博士表示：“如果能夠發(fā)現暗物質(zhì)，我們將最終解答物理學(xué)上的一個(gè)重大疑問(wèn)�！币练蛱亟淌谀樕系男θ莞嬖V我們，尋找暗物質(zhì)的努力最終徒勞無(wú)功的可能性并不像他開(kāi)玩笑時(shí)說(shuō)的那么小。在他眼里，這是一個(gè)最令人興奮的科學(xué)研究領(lǐng)域。對于此次尋找暗物質(zhì)的嘗試，公眾最關(guān)心的莫過(guò)于結果——究竟是如愿以?xún)數匕l(fā)現暗物質(zhì)還是發(fā)現其他物質(zhì)。

　　他說(shuō)：“在發(fā)明熒光燈之前，沒(méi)有人知道發(fā)現等離子體發(fā)出的光線(xiàn)意味著(zhù)什么。在創(chuàng )立量子力學(xué)理論時(shí)，科學(xué)家最初認為這是一項完全無(wú)用的理論。但突然間，他們發(fā)現全世界的每一臺電腦都立基于這一理論�！痹谶@個(gè)地下實(shí)驗室，伊夫特用外行人能夠聽(tīng)得懂的話(huà)解釋尋找暗物質(zhì)的重要性。他說(shuō)：“雖然發(fā)現這種物質(zhì)的可能性很小，但發(fā)現的意義非常重大，要知道，暗物質(zhì)在宇宙質(zhì)量中的比重高達85%�！�

　　質(zhì)量失蹤問(wèn)題

　　我們已經(jīng)知道其他15%由什么物質(zhì)構成。我們的身體、我們的家、我們的行星，所有我們能夠看到和觸摸到的一切都由普通物質(zhì)構成。物質(zhì)是引力之源，由原子構成，電子繞著(zhù)原子核運動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。在浩瀚的宇宙，在恒星之間漆黑一片的空間，可能還存在另一種物質(zhì)——暗物質(zhì)。不僅僅在太空，地球上也可能存在暗物質(zhì)，雖然數量較少，在閱讀這段文字時(shí)，每秒將有100萬(wàn)暗物質(zhì)粒子穿過(guò)你的小指。之所以被稱(chēng)之為暗物質(zhì)是因為這種物質(zhì)不會(huì )發(fā)射光線(xiàn)同時(shí)也不可見(jiàn)。暗物質(zhì)沒(méi)有電磁場(chǎng)，這也就意味著(zhù)幾乎無(wú)法借助任何常規科學(xué)測量設備探測到它們的存在。

　　我們何時(shí)發(fā)現可能存在暗物質(zhì)?直到上世紀30年代，還沒(méi)有人得出這一發(fā)現。1933年，加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇提出了一項非常引人注目的暗物質(zhì)存在理論。但幾十年來(lái)，很少有科學(xué)家相信暗物質(zhì)存在的可能性。

　　扎維奇提出的謎題必須通過(guò)研究星系質(zhì)量加以解答。星系質(zhì)量計算通常采用兩種方式，一種是測量星系的旋轉速度，星系旋轉速度越快，所擁有的質(zhì)量越大;另一種是根據星系的亮度進(jìn)行估計，也就是估計星系的恒星數量。在對后發(fā)座星系團進(jìn)行研究時(shí)，扎維奇發(fā)現了奇怪的現象。他利用維里定理計算后發(fā)座星系團的真實(shí)質(zhì)量，所得出的質(zhì)量卻是視覺(jué)觀(guān)測下的大約400倍。這種現象被稱(chēng)之為“質(zhì)量失蹤問(wèn)題”。

　　什么物質(zhì)導致如此巨大的差異?答案可能就是暗物質(zhì)。直到上世紀70年代，扎維奇的理論才得到證實(shí)。當時(shí)，年輕的美國天文學(xué)家維拉·魯賓利用其對螺旋星系旋轉速度的觀(guān)測數據得出同樣的結論。我們能夠觀(guān)察到的星系區域——明亮區——所擁有的質(zhì)量似乎只占星系總質(zhì)量很少的一部分，余下的質(zhì)量一定存在于我們無(wú)法觀(guān)察到的暗區。

　　費用政府買(mǎi)單

　　此次科學(xué)競賽旨在率先發(fā)現暗物質(zhì)的存在。35年來(lái)，沒(méi)有一個(gè)人成功做到這一點(diǎn)，這項任務(wù)難度之大我們可想而知。伊夫特表示：“全世界大約有300位科學(xué)家一直在搜尋暗物質(zhì)，這是一項非常艱巨的任務(wù)。參與這項工作的人就像著(zhù)了魔一樣研制探測設備，探測自己認為中的暗物質(zhì)。但這種探測具有極大的不確定性，可能一無(wú)所獲�！�

　　在難于進(jìn)入的地下深處進(jìn)行暗物質(zhì)研究是一個(gè)最基本的要求，這種要求也提高了搜尋暗物質(zhì)的難度。阿勞霍指出，科學(xué)家在礦井內進(jìn)行研究并不會(huì )遭遇危險或者患上幽閉恐懼癥，真正讓他們感受頭疼的是地下研究并不十分便利。他說(shuō)：“第一周，所有人都喜歡這里，恐懼心理很快煙消云散。但便利性仍舊是一大挑戰�！�

　　首先，進(jìn)入礦井并非易事�？茖W(xué)家要沿著(zhù)一條沿岸環(huán)路駛往懷特比北部地區，有時(shí)還會(huì )遭遇降雪，而后花一兩個(gè)小時(shí)佩戴各種裝備，下降到礦井，隨后還要換裝，最后進(jìn)入實(shí)驗室。這里的工作環(huán)境十分惡劣�？諝庵械柠}可能讓電氣設備陷入混亂，任何體積超過(guò)70立方英尺(約合2立方米)的設備都無(wú)法借助起重機運進(jìn)礦井。由于搜尋暗物質(zhì)項目本身的特殊性，所進(jìn)行的實(shí)驗在幾個(gè)月甚至最后結束時(shí)可能不會(huì )得出任何令人興奮的發(fā)現。

　　雖然一些工作可以借助計算機遠程完成，但設備的維護和修理工作還是要親歷親為，這是不可避免的。除了校準機械裝置和檢查是否出現生銹、破損和裂縫外，工作人員還要定期使用300升液態(tài)氮保持ZEPLIN-III內的氙氣處于液態(tài)。氙氣從俄羅斯進(jìn)口，每公斤1萬(wàn)英鎊(約合1.6萬(wàn)美元)。實(shí)驗室每年的運營(yíng)成本為30萬(wàn)英鎊(約合48萬(wàn)美元)，主要是工作人員的工資、電費和設備維護費用，由英國政府買(mǎi)單。

　　靈敏就是一切

　　對于暗物質(zhì)到底是什么，科學(xué)家意見(jiàn)不一。一些科學(xué)家認為，暗物質(zhì)可能是由暈族大質(zhì)量致密天體構成，這種物質(zhì)可能來(lái)自于黑洞。上世紀70年代，意大利科學(xué)家指出暗物質(zhì)可能由axions粒子構成，axions以一種洗衣粉的名字命名。也有人認為，存在暗物質(zhì)不過(guò)是一種幻想，星系出現“質(zhì)量失蹤問(wèn)題”的真正原因只能說(shuō)明牛頓物理學(xué)定律存在缺陷。

　　當前有關(guān)暗物質(zhì)的最流行理論是，這種物質(zhì)由大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)構成。之所以取這個(gè)名字是因為暗物質(zhì)據信會(huì )與正常物質(zhì)發(fā)生反應，但這種情況非常罕見(jiàn)。世界各地的大量實(shí)驗都圍繞這一理論展開(kāi)，波爾比礦井內進(jìn)行的實(shí)驗便是其中最為先進(jìn)的一個(gè)。阿勞霍表示：“這是一項競爭激烈的競賽，我們是有望獲取勝利的主要選手之一�！�

　　如果按照國際標準，這座地下實(shí)驗室是使用零星資金建造的，雖然事實(shí)如此，但阿勞霍和他的國際粒子物理學(xué)家小組——來(lái)自倫敦、迪高特、愛(ài)丁堡、葡萄牙和莫斯科的研究實(shí)驗室——卻操作著(zhù)世界上最為靈敏的探測設備。在這場(chǎng)尋找暗物質(zhì)的競賽中，靈敏度就是一切。

　　阿勞霍解釋說(shuō)：“在6個(gè)月的實(shí)驗中，我們預計自己的實(shí)驗只能探測到少量暗物質(zhì)事件。但在相同的時(shí)間內，我們卻可以探測到數百萬(wàn)次背景輻射事件，來(lái)自于探測設備和實(shí)驗室墻壁的痕量放射能，來(lái)自于能夠穿透到這一地下深度的少量宇宙射線(xiàn)。毫無(wú)疑問(wèn)，探測設備的靈敏度越高，所能消除的背景噪音越多，也就越有可能發(fā)現暗物質(zhì)�！�

　　這也就是為什么ZEPLIN-III探測器被包裹上保護性材料。外層的聚丙烯塑料在設計上用于幫助消除中子，周?chē)�厚厚的鉛殼則用于消除伽馬射線(xiàn)。探測器內部的“靶子”由12公斤純液態(tài)氙構成，一旦核心受到粒子轟擊便會(huì )發(fā)生反應。無(wú)論什么時(shí)候，只要發(fā)生反應便會(huì )產(chǎn)生閃光(由光子傳感器記錄)和電荷，后者在懸于液態(tài)氙“靶子”上方薄薄的氙氣層中測量。通過(guò)測量光脈沖與電荷尺寸的比率，波爾比的研究小組能夠確定所探測到的“事件”是否是一次罕見(jiàn)而令人極度興奮的WIMP交互作用，或者只是一次令人沮喪的伽馬射線(xiàn)穿過(guò)。

　　“可信”非常重要

　　截至春初，波爾比研究小組將確定他們能否得出令人信服的發(fā)現，即在世界上第一次探測到暗物質(zhì)的存在�！傲钊诵欧�”非常重要，因為他們必須說(shuō)服自己，同時(shí)還要說(shuō)服這一研究領(lǐng)域心存懷疑的其他競爭對手。這些競爭對手中有的位于加拿大，有的位于南達科他州，有的則位于意大利大薩索山地下，其中包括他們的主要競爭對手——XENON 100暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗。XENON項目組最近的一次實(shí)驗在2010年9月進(jìn)行，未能發(fā)現令人信服的暗物質(zhì)存在證據，這讓波爾比項目組長(cháng)長(cháng)地舒了一口氣。

　　出生于波蘭的ZEPLIN-III項目負責人帕維爾·馬耶夫斯基博士指出：“實(shí)際上，我們沒(méi)必要期盼競爭對手遭遇失敗，因為發(fā)現暗物質(zhì)的最終受益對象是整個(gè)科學(xué)界，而不單單是個(gè)人。此外，他們使用的是與我們類(lèi)似的探測設備，如果他們能夠取得成功，說(shuō)明我們也有成功機會(huì )。這是一個(gè)競爭激烈的研究領(lǐng)域，不管誰(shuí)獲得勝利，都將名垂青史并斬獲諾貝爾獎。如果失敗降臨到其他團隊而不是自己團隊身上，你同樣會(huì )感到非常失望�！�

　　三月得出結果

　　現在，波爾比礦井內的科學(xué)家正朝著(zhù)實(shí)現這一夢(mèng)想的道路前進(jìn)。ZEPLIN-III探測器的靈敏度是ZEPLIN-II的10倍，ZEPLIN-II的靈敏度大約也是Mark I的10倍。借助于這種高靈敏探測設備，科學(xué)家距離發(fā)現暗物質(zhì)自然更近一步。在打開(kāi)探測器并在3月進(jìn)行最終測量時(shí)，實(shí)驗結果將浮出水面。如果ZEPLIN-III能夠記錄10次事件并證明這些事件并非背景輻射的結果，研究小組便取得勝利。波爾比實(shí)驗室資深科學(xué)家和設施負責人肖恩·帕林表示：“這里的每一個(gè)人都認為，我們已經(jīng)處在上演重大發(fā)現的邊緣。雖然沒(méi)有一個(gè)人觀(guān)測到非背景輻射事件，但我們可能已經(jīng)進(jìn)入上演這種發(fā)現的時(shí)刻�！�

　　在波爾比的實(shí)驗中，沒(méi)有人愿意猜測成功發(fā)現暗物質(zhì)的幾率。由于遭受失敗的可能性極高，實(shí)驗室的空氣中彌漫著(zhù)緊張的氣氛。DRIFT-II主要由美國大學(xué)資助，研究小組希望這個(gè)探測器至少可以安全使用3年。ZEPLIN-III的資金將于3月陷入枯竭，政府部門(mén)和贊助者——科學(xué)與技術(shù)設施理事會(huì )需要為之提供更多資金。

　　ZEPLIN-III項目組操作著(zhù)世界上最靈敏的探測器，在進(jìn)行旨在尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗中，他們自然處于有利位置，成功發(fā)現暗物質(zhì)的幾率高于其他研究團隊。面對這種極富挑戰的實(shí)驗，我們不得不問(wèn)如果失敗了怎么辦?伊夫特對此表示：“如果失敗，我們需要制造一臺更大的探測器，繼續進(jìn)行這種實(shí)驗�！�