“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”,如果用这句诗形容世界范围内暗物质和暗能量的探测状况,恐怕是再恰当不过了。但这样的情况,在今后或许会发生很大的改变。
2008年下半年,以中美科学家为主的ATIC探测器(先进离子量能器)发现高能电子流量在300~800GeV能区间与理论模型相比高了将近3倍。该结果在低能部分被欧洲的PAMELA(反物质探测和轻原子核天体物理卫星荷载)正电子实验证认。这一现象可以被解释为暗物质粒子湮灭或衰变的产物。虽然,目前的观测结果还不够精确,还不能排除附近天体的影响。
2009年10月23日和25日,在经历了数月的“延迟”后,欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)成功导入两束粒子束。2010年7月29日,奋进号航天飞机将装载阿尔法磁谱仪(AMS)飞赴国际空间站。而在2010年开建、2015年使用的位于智利北部2682米的Cerro Pachón山巅的大型综合巡天望远镜(LSST),其科学目标之一就是通过观察弱引力透镜来发现暗物质和暗能量。
面对国际暗物质研究逐渐升温的态势,中国也迅速加入了新一轮探测暗物质的热潮,期待有所斩获。
中国行动
2009年10月25日,在四川锦屏山开始正式筹建2500米极深地下暗物质实验室(见本刊2009年第12期文章《到岩层下2500米做实验》)数月后,作为中国科学界高层次的香山科学会议——“深地科学重大前沿问题”召开。而另一场以“空间探测暗物质粒子”为主题的香山会议也将在随后的11月24日如期举行。与此同时,在北京大学高能物理中心、中国科学技术大学近代物理系等不同地点、规模不一的会议也在悄然举行。但主题只有一个:探测暗物质与暗能量。
“在过去的20世纪,物理学的两个重大突破,量子力学和相对论,中国科学家没有太多的贡献。”中国科学院理论物理研究所吴岳良院士告诉《科学新闻》,“但是现在,在中国,天时、地利、人和,应该期待中国科学家抓住这个好机遇,为本世纪暗物质、暗能量的探测作出贡献。”
在10月25日科技部发布的2010年“973”立项的123个项目前两年经费预算安排中,“暗物质暗能量的理论研究和实验预研”项目获得了965万元人民币的前期经费,而吴岳良是该项目的首席科学家。据悉,这一项目由理论物理所牵头,包括高能所、国家天文台、紫金山天文台和上交交通大学等8个单位参与,包含了若干个子课题,涵盖了地下直接探测、空间间接探测这两种不同的路径和方法。
虽然,与最终探测到暗物质和暗能量这一雄心勃勃的目标相比,“973”的诸多目标只是处于预研阶段,但也足以让人对中国的“动作”充满期待。
缩水的量级
一直以来,暗物质直接探测实验都是寻找暗物质粒子最重要的探测方式。
作为这次“973”项目的子课题,上海交大计划利用划拨的500万元经费,预研制25公斤的液氙探测器。这与此前预计的研制吨级液氙探测器的目标相去甚远。
“上海交大有一流的团队,在整个‘973’项目中,这个项目是很有前景的。我们希望能获得更强的资助,用来发展更大量级的探测器。”该项目负责人季向东告诉《科学新闻》。
在“973”的项目书中,最终液氙探测器的量级是200公斤。按照通常的考虑,如果要实现升级,获得进一步的资助,关键取决于预研的效果。
“这几年,交大、高能所都在研究一些关键技术的突破,将来集中力量造一个更加优化的方案是比较好。”吴岳良说,“交大也应该考虑,通过预研,是否能提出更优化的方案。”
中国科学院高能物理研究所研究员王贻芳告诉《科学新闻》,在暗物质探测上,高能所目前对这些问题均有所考虑,但尚未有具有国际竞争力的成熟方案产生。
追问空间探测
通过观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定粒子,如伽玛射线、电子和正电子、反质子等粒子来间接探测暗物质是空间探测的重要方法。目前在天观测的欧洲PAMELA粒子探测器、费米(FERMI)太空望远镜,即将上天的AMS-02,计划中的CALET等大项目都是通过间接法来探测暗物质粒子。