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中意科学家探寻可穿透各种物质粒子(附图)

http://www.sina.com.cn 2000/05/07 20:19 羊城晚报


这就是用以捕捉新粒子的碘化钠晶体(中科院高能物理所供稿)

  150亿年来它不断造访地球,在任何物体包括我们的人体中间穿来穿去;如今,逮住它已经为期不远了

  ●本报记者专访科学家小组中方负责人、中科院高能物理所戴长江研究员并拿到“坚料”

  ●两国合作的组在阿尔卑斯山岩石下深米的实验室里追踪实验了八年

  ●我国即将修建实验室开展冷暗物质粒子的观测实验,期望五年内出确切结果

  ●如果找到了这种新粒子,它将极大支持宇宙爆炸学说和暴胀宇宙论,把人对客观世界的认识大大向前推进一步

  本报北京今晨专电记者吴海蔓报道:茫茫宇宙间,弥漫着一种冷暗物质粒子,它既不发光,也极少和任何物质发生作 用。150亿年来它不断来到地球,永无休止地穿透任何物体,包括厚厚的岩石、千家万户的墙壁甚至我们的人体。追踪这种 新粒子就成了世界各国宇宙学和粒子物理学家的共同目标。中意科学家合作小组DAMA近来宣布,他们可能找到了该粒子存 在的初步证据。消息一发布,就引起学术界震动。美国南卡罗来纳大学的物理学家弗兰克说,如果发现属实,它无疑具有问鼎 诺贝尔奖的水平。

  该小组成立于1992年,中方科学家由中科院高能物理研究所四位专家组成。记者近两天在北京专访了科学家小组 的中方负责人、高能物理研究所的戴长江研究员。他耐心地向“外行”解释了这个初步发现的过程,以及它可能带来的意义。

  话要从宇宙诞生说起:

  150亿年前宇宙大爆炸早期的“遗民”

  世界上许多科学家公认宇宙是从一个小点开始爆炸产生的,在爆炸中释放很高的能量,随后是暴胀过程,随着宇宙膨 胀,温度慢慢降低下来,演化形成我们现在这个宇宙的样子,爆炸至今约有150亿年。从爆炸的能量高到冷却的能量低状态 ,对应了不同的物理过程,产生相应的一系列粒子,这种冷暗物质粒子就可能是从宇宙大爆炸早期遗留下来至今的,科学家普 遍认为它占了宇宙密度的20%。和别的粒子不同之处是,它与物质作用的概率非常非常低,虽然无孔不入,却对人体没有任 何影响。正因为冷暗粒子弱作用的特性,所以很难捕捉到它的芳踪。DAMA组决定在意大利国立实验室做这个追踪实验。

  在千米地底建实验室等待“碰撞”

  意大利国立实验室位于意法交界的阿尔卑斯山脉的格朗萨索上,位于岩石1000米的深处,由三个大洞组成,洞内 无论是通风设备还是仪器环境都是世界一流的。世界上著名的几个不用加速器的高能物理实验都是在这里进行的,集中了美国 、英国、日本、德国、法国等国顶级的科学家。

  将实验室深入地府,其中大有讲究。原来要捕捉新粒子以及做中微子实验,就必须将大部分宇宙线屏蔽掉,因为它们 会干扰实验要捕捉的信息。人们已知的宇宙线实际上是宇宙中带电粒子如质子以及它与空间物体作用所产生的m子等,大部分 宇宙线很难通过厚厚的岩壁,因此对深置地府的“探测仪”几乎没有影响。但岩壁对冷暗物质粒子是形同虚设的,它可以穿透 岩壁到达探测仪,所以只有它能有幸做客实验室,科学家们将一块块探测仪---碘化钠晶体垒起来,外面配上各种仪器,静 静等待它与探测仪的偶尔碰撞,这概率是穿行几亿次才有可能碰撞一次。

  最纯净的晶体捕捉最淘气的粒子

  对这些来无踪去无影的“淘气”粒子,科学家不能把它直接抓住往天平上称一称,而是要布下陷阱,等它乖乖上钩。 这“陷阱”就是碘化钠晶体---科学家称它为探测仪。科学家在格朗萨索国家实验室内放置的晶体有100公斤。虽然冷暗 物质粒子难以和物质发生作用,但是它毕竟还是有发生作用的概率的,碘化钠晶体就是一种作用概率比较大的物质,它还有个 特性,就是当受到粒子撞击时,晶体会发出微弱的光。利用光电倍增管,就能将光转化成电子,电子放大后就变成电信号,从 而可以被仪器记录下来,就可以证实冷暗物质粒子曾经到访。碘化钠是种非常常见的物质,但实验室用的几乎是世界上最纯净 的碘化钠,它所含的放射性杂质只有10-11,也就是仅有0.00000000001的杂质!

  八年实验获得初步证据

  中意科学家小组在山洞里做了八年的实验,在累计有效实验时间达600天后,获得了冷暗物质粒子可能存在的初步 证据。此外,根据通用的实验物理数据分析法,估计这种粒子的质量大约是质子的50倍。但DAMA组的实验结果遭到了美 国斯坦福大学CDMS实验组的挑战,他们称:该组实验结果可能与中意科研小组的研究成果相抵触!

  对此,世界一些科学家指出:由于两项实验之间存在的实质性区别以及冷暗物质粒子的未知属性,可能意味着最终也 许会发现两项实验的结果都是正确的。

  中国科学家加入世界赛跑

  目前除了DAMA组正加大实验力度,把纯净碘化钠晶体从现在100公斤增加到250公斤以外,美国人在用低温 探测器;德国人和俄国人在用半导体探测器;英国人是什么实验都做;美国人还号称要做到吨级的探测器。各国都在努力,谁 都想早一点得到最终结果。中国有来自九家单位(高能物理研究所、清华大学、中国原子能研究院等)的近30名科学家组成 了一个合作小组,建议采用250公斤低放射性的氟化钙复合探测器,在国内即将修建的“低本底实验室”开展冷暗物质粒子 的观测实验。用负责人话说,是加入世界的赛跑。

  中国人参加这场赛跑有什么条件呢?第一,我们的国产氟化钙晶体,发光效率和国外已经相差无几,关键的提纯手段 也已经成熟;第二,我们的科学家在这个领域已经奋斗十多年了,有扎实的实验基础和丰富的经验。目前就是缺钱,正在向有 关部门申请1000多万元的费用。据透露,估计这个低本底实验室会选址在北京郊外的某山洞。整个建筑工程预计需要两年 ,实验过程大概需要3年,中国科学家们期望五年内可以给出确切的结果。

  为什么要寻找新粒子?

  在茫茫宇宙之间,寻找一种谁也看不见的粒子,花了大量时间和金钱,科学家们到底想干什么呢?身为一辈子研究粒 子的科学家,戴长江这样解释:如果找到了这种新粒子,它将极大支持宇宙爆炸学说和暴胀宇宙论,同时也极大地支持超对称 粒子模型,把人对客观世界的认识大大向前推进一步。

  有关《我学者发现神秘物质》一文的澄清

  戴长江

  一个重要的实验结果,在未被公认之前,我们不愿意在新闻报刊上公布。只是2月19日《纽约时报》报道了DAM A组的成果,并提到其成员中有一半来自中国科学院高能物理研究所,这才引起了国内一些新闻媒体要求来访。我们原以为也 许对今后在国内开展此项研究有利,才接受采访。由于北京某报报道《我学者发现神秘物质》一文中出现了一些差错,引起了 读者的某些误解,我们在此予以澄清:

  1,DAMA组研究的是冷暗物质粒子,不是反物质。超对称粒子模型是基于粒子标准模型,在更高层次上研究基本 粒子的性质,如费米子与玻色子之间的对称性等以及相互作用的规律,是种新粒子理论模型,不是物质的“阴阳两界”什么对 应关系。

  2,冷暗物质粒子可能是宇宙早期遗留下来的。

  3,当今宇宙还处于膨胀状态,但不是处于爆炸状态。

  4,我们所在的单位是中科院高能物理研究所,不是高级物理研究所。

  5,我们将采用的探测器是氟化钙晶体复合探测器,而不是氟化钠。


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  • 我国学者发现可以穿透任何物体的神秘物质

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