暗物質：地下搜索者

編譯 | Quest

排版 | 徐徐

在義大利山脈腹地，科學家正在建造一台機器。 另一個深藏在南達科他州黑山一座前金礦中的探索團隊，也是如此。他們正在尋找一個信號：光和自由電子的火花—暗物質存在的證據。

它在實驗室中從未被檢測到。但科學家認為它比「普通」物質更豐富。原子構成的一切—被稱為重子物質，被認為占宇宙總數的不到5％。 暗物質佔25％。 其餘的是暗能量，這是一種排斥引力的神秘力量，並解釋了為什麼宇宙的膨脹正在加速。

確認存在暗物質會改變我們對我們宇宙基本構造塊的理解，並為宇宙如何誕生以及它將如何變化提供重要線索。到2021年，兩台新機器計劃加入狩獵。

Renshaw是一項名為DarkSide項目的合作項目的一部分。它正在世界上最大的地下實驗室里建造一個暗物質探測器DarkSide-20k，位於羅馬以南約75英里的格蘭薩索山下。在附近，在拉奎拉市，他說科學家和工程師在街上或咖啡館裡發現彼此的情況並不少見。

LUX-ZEPLIN或LZ探測器正在南達科他州Sanford地下研究機構建造。研究人員通過在礦井下放一個籠子進入實驗室。他們必須戴上安全帽並帶上一個叫做自救器的呼吸器，以防發生火災。

位於義大利Gran Sasso國家實驗室的DarkSide-50實驗

Credit：Y. SUVOROV / LNGS-INFN

但是，這些巨大的項目存在以下主要問題之一：我們從未發現暗物質粒子，為什麼科學家們確信他們在那裡？

首先，我們來談談艾薩克·牛頓。 他認為引力是物體之間的力量。 科學家利用他的公式可以繪製出地球和月球的軌道。 但這些數學計算在黑洞面前破裂了。 然後來了阿爾伯特愛因斯坦。 在他的廣義相對論理論中，引力是空間和時間的固有屬性，而不是力量，可以被大量物體扭曲。

「這是一個非常安全的賭注，它就在那裡」

但是，在更遠的地方，愛因斯坦的數學也出現了瑕疵。 在20世紀70年代，天體物理學家維拉魯賓發現，螺旋星系邊緣的恆星以與中間附近恆星相同的速度移動。

在較小的範圍內，引力不會以這種方式工作。 太陽系中的第一顆行星水星以比海王星高得多的速度在太陽周圍轉動。 圍繞星系中心的星星應該做同樣的事情。 因此，星系邊緣必須存在額外的，看不見的物質：暗物質。

當你根據遙遠恆星和星系的運動來推翻數字時，暗物質就應該存在。 但是我們從未見過暗物質粒子的證據。

DarkSide-20k將使用液態氬，LZ將使用液態氙，但想法基本上是一樣的：等待暗物質粒子撞擊充滿液體的罐中的原子核。 （氬氣和氙氣都是稀有氣體，在科學實驗中經常使用，因為它們非常穩定。這降低了不需要的因素引發反應的可能性。）

當暗物質粒子與原子碰撞時，兩個探測器將使用感測器來尋找產生的光和電子釋放。

「把核心看成是一個撞球，突然它被某種東西撞了，我們看不到直接撞到它的東西，但我們可以看到撞球的後坐力。」

科學家多年來一直在尋找這些證據。 DarkSide-20k和LZ是更大，更先進的探測器，稱為DarkSide-50和LUX（後者在2016年停止運營）還有其他。中國的悟空探測器和國際空間站上的阿爾法磁譜儀都在尋找太空暗物質的蹤跡。

它們都設計用於尋找WIMPS（弱相互作用的大質量粒子），理論粒子比普通物質的粒子大得多和重得多。其他探測器 - 例如華盛頓大學的Axion Dark Matter Experiment（ADMX） - 正在尋找低質量的軸位，這是另一個強有力的暗物質候選者。

一個位於桑福德地下研究設施的地下4,850英尺的實驗室

Credit：AMBER HUNT / AP / REX / SHUTTERSTOCK

我們創造了其他物質以適應我們以前對宇宙有限的理解。在18世紀，科學家們認為光波在宇宙的「以太」上穿越太空。當然，我們的物理和天文學工具和知識現在更加先進。但是我們仍然可能對暗物質知之甚少，也許我們正在以完全錯誤的方式尋找它。

目前，研究人員不斷建造更大，更靈敏的探測器，但這不是一件容易的事。暗物質的粒子可能與氬或氙原子碰撞並觸發「虛假事件」。這就是為什麼DarkSide-20k和LZ建在地下的原因—為了保護它們免受宇宙射線的侵侵擾。即使在堅實的岩石下面，它們也暴露在氡和自由中子的輻射中，這些中子幾乎遍布各處。

新技術應該有助於研究人員消除背景噪音。 LZ將被包裹在專門用於阻斷和標記自由中子的第二個檢測器中。 DarkSide-20k將配備不會發射太多輻射的新型光電感測器。

這兩款機器的尺寸也會有所提升。為了檢測暗物質，越大越好，這是因為如果有更多的物質與暗物質碰撞，隨機碰撞更可能發生。

DarkSide-20k將比DarkSide-50大10倍，這將使其可以容納400倍的氬氣。 LZ將比LUX多25倍的氙氣。但是所有這些液體並不便宜。據報道稱，一瓶氙氣的價格平均在10萬美元左右，而 LZ探測器需要200個探測器。

人類有一種自然的傾向，每一個找不到東西的項目也都在為某些事情做出貢獻，為下一個團隊做出改變宇宙的發現鋪平了道路。找到暗物質的證據將令人難以置信。如果多個項目使用不同的材料找到了證據，那會更好。然而，即使沒有發現，仍然會推動該領域前進。

謝謝閱讀

參考原文：

https://mashable.com/2018/06/24/dark-matter-testing-lz-darkside-20k/#7Z09krSk8sqY

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