宇宙中的暗物质粒子

钱　峰

且看宇宙是如何展示其“暗面”的：在美国明尼苏达州北部，在一个800千米深的被废弃的铁矿里，一个超低温的晶体探测器捕捉到一个微弱的热脉冲，说明有某些重粒子撞击到了晶体原子。而其他仪器却一无所获，说明入侵者正是尚未被我们所认识的物质粒子。明尼苏达的这一事件是近几个月来的所有同类事件的其中之一。研究人员认为，要么是未知粒子撞击晶体产生频率激增，要么是普通粒子穿越了探测器。要是证明确有未知粒子穿越，那么，宇宙间的这些比可见物质重得多的暗物质即将揭开其神秘的面纱。

相同的实验将在2000年夏季展开。某地设在美国加州大学伯克利分校的一支研究小组正打算在明尼苏达索丹矿进行名为超低温暗物质探测的计划。同样的计划将在意大利某山下的格兰·塞索实验室，在英格兰深达1000米的波尔贝盐矿或其他地下实验室内展开，目的在于避开放射性物质及宇宙射线的干扰。研究人员将采用更大更复杂的探测仪器捕捉交斥在星系及不断透过我们地球的暗物质粒子。

不久前，意大利某实验室的研究小组报告说，他们的探测器捕捉到了一种非同寻常的信号，科学家们曾认为，捕获行动即将大功告成。但经过仔细分析，成功的可能性被排除了。但研究人员仍然信心十足，期待着成功的真正来临。芝加哥大学的宇宙学家米切尔·特纳说：“成功地捕获随时都可能发生。”

一旦暗物质粒子成功地被捕获，宇宙暗面的大门即将开启。天文学家认为，在望远镜里所见到的星球、 星系及发光气体仅仅是宇宙弥散的轮廓， 换言之， 这只是宇宙的表象， 宇宙的真正内涵还深藏不露。

无法在加速器里产生的暗物质粒子，组成了宇宙绝大部分质量。而在过去的两年中，科学家们认可了第二类暗物质的候选对象，那就是一种暗能量粒子，作用就如同宇宙的发酵剂，促使宇宙——也可以说是暗物质——快速膨胀。

这是一幅怪异的，不可捉摸的景象，使得我们所熟知的明亮的宇宙将还原到它的原态。面对证据，绝大部分天文学家都无可争辩。数十年前，他们早就注意到，就如同人类所在的那些网状的星系旋转得如此之快，除非有超量的物质提供超量的重力牵制，否则，它们将飞到它们的原有轨道。最好的计算结果表明，宇宙间不可见物质比可见物质至少重100倍。

对巨大星系群的研究，提供了相同的证据。正是交斥在星系之间及宇宙空间最致密的不可见物质，牵制了星系群不致飞离它们的原有轨道。这种附加的超量物质也正解释了为何星系群具有强大的引力场，致使远距离的物体所发出的光线能产生折射现象。

多年以来，天文学家认为，在星系内的超强引力，至少来自于褐矮星甚至能够被恒星照亮的行星等某些普通物质的尚未被人类发现的层面。但是，天文学家又把目光转向了外星系的星球，企望在它们出现的一瞬，能够找到所谓的“超致密光晕体”的踪迹，遗憾的是，该研究并未真正揭开暗物质之谜。20世纪90年代后期，“超致密光晕体”的研究逐渐销声匿迹。

暗物质之谜在理论物理学家的心目中久久不能拂去。据理论推测，所谓的暗物质至少有两个候选者，其一为轴子，其重量仅为电子的十亿分之一；另一个为弱相互作用巨粒子——大爆炸的残留物质，重量与金属原子相当。轴子和弱相互作用巨粒子在穿越星系暗物质云时，能随意穿透地球，作用在普通物质上的力对它们毫无影响。

要捕捉暗物质粒子，首先要解决一个难题。探测某个粒子，即意味着必须促使该粒子在探测器里与普通物质发生相互作用，而这正是暗物质粒子所不具备的物性。以弱相互作用巨粒子为例，每一秒时间内都有数千个这样的粒子透过人体的每寸肌肤而对人体不造成任何伤害。

因此，在费米国家加速器实验室工作的宇宙学家诺基·科尔勃就曾说过，想像一个暗物质的候选者比找到它容易得多。

全球的研究小组一致希望，解决方法在于设计一台分辨率极高的探测器，从无数个信号源中甄别出某个暗物质粒子，并且不受放射性物质及宇宙射线的污染。超低温暗物质探测小组，也正着手用锗及硅制作一个冰球大小的探测盘，将其温度降到绝对零度，然后在其外表包一层探测传感器，用以捕捉弱相互作用巨粒子。这样，就可将探测器的灵敏度提高1000倍。罗马大学的暗物质研究小组，正着手制作一个重达100千克的碘化钠探测器，其直径要比原有探测器大1倍。碘化钠制作的探测仪，当有粒子穿越时，就会发出微弱的光信号。

至2002年，意大利的格兰·塞索实验室将制作一个超低温晶体探测器，从而开始名为“克莱斯特”的实验计划；一个用液态氙捕捉弱相互作用巨粒子的名为“齐帕琳”的探测研究计划，将主要在英国的波尔贝盐矿内展开。探测研究的目的只有一个，即全力捕获弱相互作用巨粒子及轴子——这两个暗物质粒子的候选者。

在积极行动的背后还存有一些不安，因为就算捕获了某个暗物质粒子，离彻底揭开暗物质之谜还有一段距离。暗物质始终是宇宙学上一个耗时耗力的难题，就如华盛顿大学的天文学家克雷格·霍甘所言，暗物质是一个既古老又现代的怪异的话题。