暗物质探测实验重启,加拿大斯诺拉布地下实验室能否实现突破?

置物架        2019-10-06   来源:言天聊史

你知道宇宙80%以上的质量是未知的吗?我们所知道的那很小一部分是由行星、恒星组成的,包括我们人类的星球,但宇宙的大部分是由未知的质量组成的。这个未知的质量究竟是什么,因为它从未被直接探测到过,这是物理学家今天面临的一个重大问题。

暗物质探测实验重启,加拿大斯诺拉布地下实验室能否实现突破?

尽管这个未知的物质从未被探测到,但它确实有一个名字:暗物质。

但是等等,如果它从未被检测到,我们怎么知道它的存在呢?

根据观测结果,天体物理学家发现,根据现有已知"明亮"物质的计算,星系的旋转速度比预期快得多,也就是说,在发光的恒星中不应该有足够的引力将星系聚集在一起。然而,星系很少解体,很明显还有其他的引力源将所有的东西聚集在一起。

这种神秘物质被称为暗物质。


但暗物质又是什么呢?

多年来有许多粒子成为候选者:轴子、引力子等,但目前理论上最有希望的粒子还是WIMP,即弱相互作用的大质量粒子。"弱相互作用"的发生十分微弱,很难被发现。

这是一幅图片:太阳系和它的行星,像地球一样,沐浴在一个微弱的光环中,在周围飞行,偶尔与普通物质的原子核相互作用。

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当然,为了探究她到底是什么,科学家已经做出了很多努力,在世界各地建造的地下实验室中试图能够探测到它,并在大型强子对撞机中"制造"它,类似于在大爆炸中的被创造一样。到目前为止,所有这些尝试都失败了,暗物质仍然像以往一样难以捉摸。

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如果它比预期的更难以捉摸和/或其属性并不能受到传统人类的搜索或寻找方式而被发现,那该怎么办?科学界最新提出了扩大探测参数空间,特别是低质量暗物质粒子的新思路,极大地提高了探测灵敏度。

为了检测这些微小的信号,这项实验将在加拿大的斯诺拉布和lngs地下实验室进行,以保护它们不受"背景"模拟信号来源的影响。安大略省萨德伯里附近的斯诺拉布是世界上最深、最干净的地下实验室之一。所有现有的项目都是国际性的,并由国家能源安全委员会和国家金融机构提供支持。麦克唐纳研究所提供额外的人力和技术资源,在加拿大的11个机构之间进行协调。

亚瑟·B·麦克唐纳加拿大天体粒子物理研究所(麦克唐纳研究所)是一个由加拿大联邦参考局资助的科学机构,是加拿大的天体粒子物理研究团体。它的主要关注点是与人类社会相关的,日益增长的科学问题,以解决诸如探测暗物质等重大科学问题。它管理基金,以扩大教师、研究生和从事暗物质、中微子和相关研究的研究员的人才库。该研究所与加拿大主要的实验和理论设施合作,正在最大限度地提高大规模研究的经济和社会效益,以更好地让公众参与天体粒子物理学家的工作。

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暗物质新窗口

NEWS-G使用欧洲-北美合作开发的一种新型球形气体探测器,在未探测到的粒子质量范围的较低端,其质量可与质子或更低的质子相媲美。在这里,这种探测器探测极低电流脉冲(相当于单个电子)的能力,再加上使用"光"目标(如氦或氢)的能力,是这一探索的关键。新的直径140厘米的探测器及其防护罩将于2019年在snolab开始运行。

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ADMC:使用液态氩达到极限灵敏度的全球多吨级项目

液态氩从暗物质粒子发出很短的光脉冲,但从背景放射性发出的光脉冲要长得多,所以很容易区分它们。目前,在Snolab的DEAP探测器中有3吨氩在运行,来自12个国家的350名科学家的国际合作已经聚集在一起,建造了一个20吨的探测器,将在意大利建造(Darkside-20K),随后一个300吨的探测器,可能将安装在Snolab实验室,以提高灵敏度系数。

合作

在皇后大学,在麦克唐纳研究所旗下,G.Gerbier,天体粒子物理学CERC和News-G,T.Noble的PI,Pico项目的PI,Snolab的前主任,Mi和A.McDonald的科学主任,Sno项目的前主任,诺贝尔奖获得者和GADMC的积极倡导者,加入研究团体,并提供支持,Enthus国际原子能机构和研究小组致力于确定暗物质的性质,这是现代物理学中最为艰巨的问题之一,至今已引起物理学家近一个世纪的关注。