2012年或许会是宇宙学取得重大突破的重要年份——大亚湾中微子实验课题刚刚宣布发现了第三种中微子震荡，完善了对中微子转换之间的解释；欧洲“万亿伏特粒子加速器”(LHC)项目的科学家们则宣布，有可能发现了赋予一切粒子能量的“上帝粒子”……而参与大亚湾实验的上海交通大学物理系，最近正忙着将全新的探测设备安置在二滩水电站2500米的地下探测点，希望能够一探暗物质的真面目。上海交通大学物理系主任、负责这一项目的粒子宇宙科学家季向东教授，就这一项目的进展接受了记者的采访。
暗物质，凝聚宇宙中粒子的“胶水”
在大多数人的印象中，有130亿年历史的宇宙是由各种各样星系和其中各种星星组成；但科学家们早在上世纪60年代就发现，宇宙并非所见即所得——我们能够看到的只是宇宙的一小部分，我们认知的只有宇宙的4%左右。科学家们推论，宇宙中有23%左右是暗物质，当然更多的则是暗能量。
季向东教授说，银河中有上千亿个像太阳系这样的恒星系，这些“太阳系”们之所以会在银河系中有序地活动，甚至能够形成，很可能就是因为有了暗物质。
暗物质存在的推断，最初来源于科学家们对恒星和星系速度的观测。因为科学家发现，太阳系和银河系中所有星系都是围绕着银河系的中心旋转。按照牛顿的万有引力规律，越是银河系边缘的星系，绕银河系中心旋转的速度就应该越慢，但实际情况却是，在银河系不同位置的星星旋转速度基本一样。按照这样的情况，这些星星因为离心力的作用，应该逸出银河系。甚至宇宙中所有的粒子由于高速度都会分崩离析，而无法凝聚成一个个可见的星系，甚至无法凝聚成现在我们所见到的星星。但是，银河系并没有因此而变成一个混沌的粒子团。“这意味着宇宙中也许会有一种我们所看不见的物质，这一物质使各种可见的粒子有机会凝聚在一起，形成了物质和星系，并且使整个银河系的星系都牢牢地凝聚在银河系中，围绕着银河系的中心旋转。”
但是，“科学家们一直无法证明暗物质的存在。”季向东教授称，科学家现在可以通过理论推断获知，在某些地方如银河系中心或太阳的中心，暗物质集聚度非常高；而在某些地方，暗物质却不屑一顾。根据物理学的基本规律，一切物质之间都有引力相互作用，暗物质同样如此。暗物质的性质就是根据它们在天文和宇宙学中扮演的引力相互作用而推断出来的。
去年在意大利进行的一项高灵敏度实验探测，并没有发现暗物质，这引发了科学家们对世界上是否有暗物质的质疑。但季向东教授的观点是：“我们所能够考虑的，就是如何把探测仪器制造得更为灵敏。因为仪器的灵敏度目前远远没有达到极限，既然如此，就不能因为我们没有足够灵敏的仪器而否认暗物质的存在。”
仪器的检测精度得到提升
据介绍，上海交大利用清华大学和二滩水电站建设的实验室所做的实验观测，主要对目前国际上主流的探测暗物质的探测器规模，进行了大幅度提升。“主要是提升仪器的检测精度”。
虽然每秒钟都有万亿个暗物质粒子穿过我们的身体，穿过我们周围的一切，甚至如果没有暗物质，世间也不可能有人存在，但科学家却无法捕捉到它的信号。季向东教授介绍说，物质之间的作用有4大类，引力作用、电磁作用、强相互作用和弱相互作用。强相互作用和弱相互作用是原子内部的作用。而日常物质之间的作用往往是电磁作用和引力作用。暗物质之所以被称为暗物质，是因为它不会和其他任何物质产生电磁反应，也不可能发光。
上海交大的仪器检测，主要利用弱相互作用。因为现在学术界普遍认为，暗物质粒子是弱相互作用的大质量粒子WIMPS（weakly interacting massive particles），如果暗物质通过这种作用撞击在惰性气体的原子核上，原子的反弹就会产生光信号和电信号，这样的信号会在特殊的液体和气体中显示出来，通过采集这样的光信号和电信号，应该可以找到暗物质。
“之所以要将实验室设在地下2500米，是因为在日常环境中，宇宙本身就有本底辐射，科学家难以区分到底哪种是宇宙的本底辐射，哪种是暗物质和原子核撞击产生的信号。”季向东教授说，“只有这样才能有效地隔绝宇宙的本底辐射。”
此前，虽然国际上很多实验组也在寻找暗物质，有一些小组宣称发现过暗物质，但是那些结果都没有被采信，因为这些实验没有一个被成功重复过。而此次二滩水电站的检测方式，是目前国际上主流的探测暗物质技术，还提高了探测器的体积和检测的气体和液体的纯度——气体和液体纯度的提高，会使探测灵敏程度呈现能量级的提高；探测器的体积增加，会使检测的粒子数量更多。“粒子样本数量越多，探测到暗物质的可能性越大。”季向东教授说。
来源：《文汇报》2012.3.15 第7版
原文:暗物质现身可能性增大
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