宇宙奥秘：寻找暗物质——欧洲大型强子对撞机再启动

当今宇宙学最大谜团之一，暗物质的秘密，或有可能即将破解。

2022年7月5日，位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）开始以有史以来最高功率运行，全力寻找暗物质。

所谓暗物质，就是指不与电磁力产生作用的物质。由于暗物质不会吸收、反射或发出光，因此无法被看到。人们目前只有透过重力产生的效应计算出暗物质的存在。科学家称，宇宙构成的四分之三以上是暗物质。

日内瓦的LHC是目前世界上最强大的粒子加速器。为搜寻、破解暗物质秘密进行的专门升级已经完成。如果能够成功揭示暗物质秘密，LHC将迎来诞生以来又一次重大突破。

2012年7月，正是用这台对撞机，科学家们完成了 21 世纪最重大的发现之一：希格斯玻色子。

如果没有这个粒子及其相关的能量场，我们所知宇宙的一切都不存在。希格斯场为其他基本粒子（如电子和夸克）提供质量。

希格斯玻色子因此又被称为“上帝粒子”，因为获得质量的过程被比作宇宙起源时的大爆炸。

什么是暗物质？

暗物质占我们宇宙构成的80% - 85%，但人类至今仍不清楚它究竟是什么，甚至不知道它由什么组成。

1937年，天文学家扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，这表明除了人类已知的星系团核心物质对星系的引力外，还存在其他引力。

天文学家进一步推断，在人类已知的宇宙物质之外，还有另外一种物质存在。科学家认为这种物质就是暗物质。

之所以称之为暗物质，是因为它与光没有相互作用，因此人看不到它，英国粒子物理学家克拉拉·奈利斯特（Clara Nellist）博士解释说。奈利斯特博士是LHC 搜寻暗物质团队的一名关键成员。

到目前为止，科学家们只观察到暗物质的间接证据，但仍无法对暗物质粒子进行直接、明确、具体的探测。现在有几种理论可以推测暗物质粒子可能是什么样子，其中被普遍认为最可能的一种是WIMP，即大质量弱相互作用粒子。

根据这个理论，这种粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，与普通粒子相比质量较大。之所以最看好它，主要因为：

•不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到；

•不参与强核力作用，因此基本上与普通物质不发生相互作用；

•质量较大，因此运动速度相对缓慢，因而聚集成团。

图像来源，Getty Images

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LHC 对撞机长 27公里，可以将粒子加速到接近光速。

探测暗物质是当代粒子物理和天体物理学的热门领域，主要有三种方式：加速器探测、直接探测和间接探测。

加速器探测是把粒子加速到极高能段并相互碰撞，击出新粒子，“创造”出暗物质粒子。

欧洲大型强子对撞机执行的就是这个任务。它是目前世界上最大的强子对撞机。参照宇宙大爆炸理论，LHC的对撞试验有可能创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态，而这种能量极高的碰撞会产生包括暗物质粒子在内的异常粒子。

LHC是目前世界上为数极少的具备探测暗物质粒子所需能量的加速器之一。

图像来源，CERN

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碰撞产生的粒子向不同方向飞行，可以通过这些踪迹判断粒子的类型。

直接探测法是指直接探测来自宇宙间的暗物质粒子和原子核碰撞产生的信号。这些信号很弱，因此实验室设在地下深处，以此把背景干扰降到最低。

直接探测是目前采用最多的方式之一，主要采用低温探测或惰性液体探测技术，探测目标以大质量弱相互作用粒子（WIMP）为主。

美国、加拿大、意大利和英国都有这类地下探测实验室。

间接探测主要是通过地面或太空望远镜探测这种粒子在星系中心、太阳中心或者地球中心湮灭而产生的其他粒子。

欧洲核子研究中心过去几年一直在升级LHC，使它更强大，数据分析能力更强。

LHC消耗的能量巨大，每年使用的电力足够为一个有30万户家庭的城镇供电。

使用的部分能量用于将质子加速到接近光速，这样，它们碰撞时会分裂成更小的粒子。

奈利斯特介绍说，LHC的两次主要升级使它具有更高的能量，产生的碰撞将创历史纪录。

另外，还调整了质子在探测器内碰撞的交叉角度，增加啦两个质子相互作用的可能性，由此增加了可供分析的数据量。