2019年值得關注的暗物質搜尋實驗

圖片中的地下水箱將是放置LUX-ZEPLIN探測器的地方

　　LIGO項目運行著兩個干涉儀，一個位於華盛頓州東部的漢福德，另一個位於路易斯安那州的利文斯頓（如圖）

　　新浪科技訊 北京時間1月3日消息，據國外媒體報道，對暗物質研究而言，2018年是重要的一年。然而，與往常一樣，天文學家其實並沒有找到任何暗物質。我們的望遠鏡觀測不到它們，但它們似乎又佔據了宇宙質量的至少80%。

　　前不久曾經有「暗物質颶風」正朝地球而來的報道，但我們還無法看到其真正面目。研究人員發現了一個似乎不存在任何暗物質的星系，奇怪的是，這反過來證明了暗物質的存在。不過，最終他們發現，這個星系可能還是具有暗物質，從而使一些科學家對暗物質的存在感到懷疑。多個本來應該在地球上直接探測到暗物質的實驗項目至今仍一無所獲。

　　那麼，當我們步入2019年時，科學家又會去哪裡尋找暗物質呢？或許我們應該保持樂觀，從各個方面來看，對暗物質的搜尋工作都在不斷向前推進。從大型地下探測器到大範圍的巡天觀測，以下就讓我們來盤點將在2019年進行的一些暗物質搜尋實驗。

　　LIGO重新上線

　　2015年，美國的激光干涉引力波天文台（LIGO）直接觀測到了引力波，而在2019年初，這台探測器將開始第3輪的觀測任務。在進行了一系列設備升級之後，LIGO將收集比以往多得多的數據。

　　那麼，引力波探測器暗物質搜尋中能做什麼呢？利用引力波數據，科學家或許能揭示一些反映暗物質存在的可能性，不過現在還沒有實質性的進展。

　　2018年，有研究者提出，如果宇宙某處隱藏著一種質量非常小的「暗光子」，那它的信號可能會在LIGO的數據中出現，在引力波特徵信號中導致特殊的非常規情況。

　　「我們揭示了基於地面和未來基於太空的引力波探測器具有發現（結論性的暗物質）的能力，」研究人員寫道。在LIGO重新投入運行之後，在引力波數據中找到暗物質的證據開始有了一定可能性。

MiniBooNE探測器的內部

　　MiniBooNE是否會放棄幽靈中微子？

　　在整個2018年，科學家都在興奮地談論美國費米國立加速器實驗室（Fermilab National Accelerator Laboratory，簡稱Fermilab或FNAL）一項實驗的結果。該實驗被稱為「MiniBooNE」，似乎發現了一些不應該存在的粒子。目前最好的解釋是，宇宙中存在尚未被發現的第4種中微子，名為「惰性中微子」。這種粒子與宇宙其他部分的相互作用甚至比其他類型的中微子還微弱，換句話說，它們不參加除引力以外的任何相互作用。

　　一些研究者認為，惰性中微子可以作為暗物質的候選粒子。隨著2018年的過去，物理學家們對於這種異常情況的看法越來越堅定。在2019年，他們將以新的方式來思考相關數據，並進一步看清惰性中微子的實際身份。

大型綜合巡天望遠鏡（LSST）將設置在智利北部的帕穹山（Cerro Pachón）

　　LSST的工程第一光

　　大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope， 簡稱LSST）是正在智利建造的一台廣視野巡天反射望遠鏡，它可以每隔15秒拍攝大片天空的詳細圖像，每3天完成一次全天空掃描。在未來10年時間裡，它將一次又一次對拍攝的圖像進行比較，以追蹤天空中出現的任何變化，為了解暗物質如何影響宇宙提供最深入的數據來源。

　　許多科學家認為，暗物質塑造了星系及其恆星運動和相互作用的方式。LSST的目標便是填補天空圖景中的空白，為了解宇宙如何運作提供前所未有的細節。這將為天體物理學家提供大量有關暗物質性質及其在宇宙中所起作用的數據。

　　2019年，研究人員將首次開啟這台重達2800千克的望遠鏡，即進行第一次觀測——在天文學中稱為「開光」（First light）。正式的科學運行將在2022年開始。

美國南達科達州的研究人員正在1.6千米的地下進行著LUX-ZEPLIN實驗的施工

　　建造下一代探測器的競爭將升溫

　　長期以來，粒子物理學家推測暗物質的第一個直接標誌可能是一道閃光。其中的工作原理是：隨著暗物質在非常黑暗的空間里與惰性物質碰撞，這些物質會因此發出微弱的光點。幾十年來，科學家根據這一原理建造了多台探測器，但截至目前，還沒有一台探測器給出了確定的結果。

　　2019年，中國科學家將在粒子和天體物理氙探測器（Particle and Astrophysical Xenon Detector，簡稱PandaX）的平台上努力工作。這個暗物質探測器位於地下約2400米的實驗室中，全天24小時盯著二相型氙投影室，尋找閃光信號。科學家還在對該探測器進行升級，以容納3.6噸的氙。據報道，升級工作有望在2019年到2020年完成，新的探測器將被稱為「PandaX-xt」。

　　面對競爭，美國南達科達州的研究人員也將完成LUX-ZEPLIN實驗最重要的施工階段。該探測器預計可以容納9噸的氙。與PandaX-xt一樣，這一項目可能要到2020年才能完成。

　　義大利也將推進XENON探測器的升級，使其達到7.2噸氙的規模。這次升級——稱為「XENON-nt」預計將在2019年完成。

　　下一階段

　　在上述實驗中，無論哪一個都有可能發現決定性的證據，表明暗物質粒子的真實存在。但是，在短期內，幾乎所有領域的物理學家都在專註於利用過往的教訓，為未來更大規模、更加有效的暗物質搜尋提供信息。2019年會發現無可爭議的暗物質證據嗎？這可能太過樂觀了，但追逐這一目標的物理學家對新的一年充滿期待，他們將以比以往更高精度、更強大的探測器來進行搜尋。（任天）

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