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【中国科普网】探索宇宙魅影——暗物质
2019-11-05|文章来源: |【
 

   10月31日,由中国科学院高能物理研究所、中国科学技术馆、英国国家科研与创新署下属科学与技术设施理事会共同主办,以“探索宇宙奥秘”为主题的2019年度国际暗物质日北京地区活动在京举行。来自中国、英国的多位专家学者共同科普暗物质研究进展,一起探讨“上天”“入地”“人造”三种实验搜寻暗物质粒子的可能路径。现场还通过网络视频连线,展示介绍中国锦屏地下实验室和位于英国北约克郡东北海岸下方1.1公里钾盐矿井中的伯毕矿山地下实验室。300余名科技爱好者参加了此次活动,近五万名观众在线观看了本次活动。

  粒子物理学面临最严峻挑战 

  “从上世纪20年代开始,越来越多的天文观测表明,在星系到宇宙的尺度存在一些与牛顿、爱因斯坦的引力理论不相一致的现象:有大量的、看不见的‘暗物质’——它没有电磁相互作用、不发光、也不吸收光,这是宇宙中神秘的魅影。”中国科学院高能物理研究所院士陈和生作了《寻找宇宙魅影——暗物质》报告。

  陈和生表示:“数十年来 ,各种天文观测结果都明确支持‘暗物质’的存在,并观测出‘暗物质’在宇宙物质总量的比例,用电磁波所能看到的物质占宇宙中约5%,暗物质和暗能量却占95%。所以,粒子物理学面临最严峻的挑战,人类仅仅看到‘井底之蛙’露出来的那一部分,而对于宇宙的95%我们还是一无所知”。

  陈和生认为:暗物质和暗能量是21世纪初物理学天空的两朵乌云。寻找暗物质是近三十年来国际粒子物理实验的热点之一,目前主要通过三种手段:一、在超高能大型对撞机上产生暗物质候选粒子;二、在外层空间间接探测暗物质,如国际空间上丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪(AMS)实验、中国的“悟空”卫星等;三、深地实验直接探测。暗物质和暗能量对物理学的严峻挑战,也意味着21世纪物理学面临重大突破的历史机遇。现今,物理学正处于重大革命的历史前夜,希望中国物理学家能够对这场革命作出重大贡献。

  广袤宇宙实验室寻找暗物质 

  “为了区分电荷符号,测量带电宇宙线的基本性质,需要将磁谱仪放在外太空。”中国科学院高能物理研究所研究员李祖豪,在活动现场作《太空暗物质探测》报告时说,宇宙是最广袤的实验室,而我们对宇宙的认识却很有限。国际空间站上的阿尔法磁谱仪是目前长期(20年)、精确测量宇宙线的唯一办法。

  阿尔法磁谱仪实验是华人诺贝尔奖得主丁肇中先生领导的大型国际合作,中国科学院高能所是实验发起单位之一,实验用磁铁由中国研制,是人类第一次把大型磁铁送入太空,也是美国宇航局首次搭载中国制造的器件。阿尔法磁谱仪于2011年5月安装到国际空间站迄今,已连续取数超过8年,收集了超过1400亿宇宙线事例。在暗物质和反物质寻找,精确宇宙线以揭示宇宙线起源加速和传播规律等物理研究中得到了一系列意料之外的重要结果。李祖豪透露,阿尔法磁谱仪现在的正电子数据符合暗物质理论,但还不能排除脉冲星等别的来源,预计持续取数到2028年,通过收集更多数据进一步降低误差,将有望确认正电子超出是否来源于暗物质。

  云遮雾绕的锦屏“捉”暗物质 

  “现在暗物质探测主要方式有三种:上天——探测暗物质湮灭产物的间接探测、入地——暗物质与物质直接散射的直接探测、人造——产生暗物质的对撞机。”清华大学工程物理系教授岳骞作了题为《锦屏谱新篇 “盘古”开天地》报告,暗物质直接探测就是把探测器放在地下的实验室,安静的等待暗物质粒子撞上来,也称“守株待兔”法。

  中国锦屏地下实验室位于四川雅砻江锦屏深地隧道,是世界垂直岩石覆盖最深的实验室,垂直岩石覆盖达2400米。实验室目前正开展“盘古”“熊猫”两大暗物质探测实验项目,其各自实验结果于2018年发表,并取得了国际领先。锦屏二期建设在2017年年底被列为“十三五”国家重大科技基础设施建设,未来总容积将有30万立方米,4个实验大厅,将建成国际最深、空间最大的地下实验室,成为世界暗物质研究高地。

  上海交通大学副教授杨勇介绍了《暗物质“捕手”之熊猫计划》,取得了排除所有疑似暗物质信号等重要成果,未来计划开展4吨-30吨级终极液氙探测器实验,希望在主流暗物质理论预测的核心参数空间获得突破。

  爱丁堡大学教授刘欣然应邀作了《英国暗物质实验研究报告》,介绍英国伯毕地下实验室主持暗物质探索研究20年来相关情况及未来发展规划。

  据了解,国际“暗物质日”科普活动是由“国际高能物理互联合作组织”在全球范围内发起的大型科普活动,旨在通过系列主题活动,增进公众对暗物质的了解。高能物理国际互联合作组织是由欧洲核子研究中心、美国费米国家实验室、英国科学与技术设施理事会、日本高能加速器研究机构、中国科学院高能物理研究所等十余家国际知名科研机构组成的全球粒子物理传播者小组,中国科学院高能物理所作为小组成员之一与上海交通大学共同主办了中国区的活动。


 
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