季向东:中国暗物质直接探测团队有望作出重要贡献-势活季向东

新浪科技讯 10月28日上午消息,今日2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。在天体物理研讨会上,李政道研究所资深学者,上海交通大学鸿文讲席教授,未来科学大奖科学委员会委员季向东发表了《寻找暗物质》主题演讲。

季向东介绍说,1687年,牛顿在著名的《原理》一书中发表了物质间的万有引力定律,奠定了现代文学的基础。100年后(2016年),LIGO宣布发现了引力波,爱因斯坦广义相对论的最后一个预言得到验证,但是从上世纪20年代起,有越来越多的证据表明,牛顿和爱因斯坦的引力理论在星系到宇宙的尺度上可能是错的。“或者,这宇宙中有大量的,看不见的‘暗物质’”。

据季向东分析,如果牛顿和爱因斯坦的引力理论是正确的,必须得到这样的结论:我们所看见的是普通的原子和分子,它们只占银河系的一小部分;大量的暗物质形成了球状的晕(雾霾),把可见的星系(银河系)包围在其中。

“暗物质基本性质是没有电磁和强相互作用,长寿命,大于宇宙的年龄”。季向东介绍说,关于暗物质到底是什么最流行的理论猜想是一种具有弱相互作用重粒子。

最后,季向东提到了对未来暗物质直接检测的展望,第一,暗物质直接检测在今后10年内将改善探测灵敏度2-3个数量级,对暗物质是否是弱相互作用重粒子作出重要的判断。

第二,中国暗物质直接探测团队有望对这个历史性的结论作出重要贡献。

第三,暗物质直接检测与间接检测,以及加速器探测是目前寻找暗物质的主要方法,不同的方法相互印证。(谭宵寒)

以下为演讲全文:

今天非常高兴看到这么多人对我们暗物质,天体物理研究感兴趣,给我们有很大的推动力。今天我给大家讲一讲暗物质的研究,我先从牛顿讲起,1687年的时候,牛顿发表了一份著名的原理,他这里头提出了物质间的万有引力定律,奠定了现代天文学的基础。在229年后的1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,把牛顿的万有定理推广到了高速运动的状态,使得跟狭义相对论相吻合。那么100年后的2016年,合作组宣布发现了引力波,爱因斯坦广义相对论的最后一个预言得到了验证,这是人类对世界认知的巨大成功。但是从上世纪20年代起,有越来越多的证据发现牛顿和爱因斯坦的引力理论,可能在星系到宇宙的测度上是错的。如果你不承认有错误,那么,这个宇宙中一定有大量的看不见的东西。我们把它叫做暗物质。那么我们是怎么得到这个结论的呢?其中一个很重要的证据,就是所谓的行星绕着星系中心转动的一个事实。

那么,大家知道太阳是我们银河系里面的一个恒星,绕着中心在转动,转动的速度是可以测量的。但是我们也知道牛顿和爱因斯坦理论,可以来计算他们的转动速度。结果我们发现他转动的速度要比牛顿和爱因斯坦理论要快很多,是不是因为我们的太阳是比较特殊的呢?结果后来发现不是那么一个情况。事实上,太阳这样的星系离中心有一个距离,我们测量了转动的速度,如果是基于牛顿和爱因斯坦的理论这个曲线,你就会发现天上有一个非常巨大的(代斯瑞比塞 音)。那么刚才这样一个试验的证据很难用别的理论进行解释,所以大家就提出了暗物质这个概念。如果我们承认牛顿和爱因斯坦是正确的话,那么像我们普通的原子和分子只是占银河系非常小的一部分,而大量的暗物质形成球状的晕,像北京的雾霾一样,把可见的东西就包含在了中间,所以我们的银河系是长成这个样子的。我们可见的星星都在中间,边上包了一个巨大无比的雾霾。

当然,这是一种假说,我们为了说牛顿和爱因斯坦肯定是对的,我们一定要发明一种东西,这种东西能够解释我们所观测到的现象。今天,几乎所有的天文学家都认为暗物质的存在是没有疑问的,问题是暗物质到底是什么?和普通的物质有什么样的关系,所以这是我们科学家需要解决的问题。

我是做粒子物理的,我们自然认为暗物质很有可能是一种粒子,这种粒子肯定没有电磁项目作用,如果有电磁项目作用的话可能会看到,它的寿命很长,现在最流行的理论认为暗物质是一种具有弱项目作用的粒子,叫做WIMPS,弱项目在原子的内部,李政道和杨振宁就是因为研究了弱项目作用而获得了诺贝尔奖,比起氢和氦的原子核来讲要重很多,当然还有其中的选择,这是我们很多理论家认为最可能的选择。

如果暗物质是一种WIMPS的话,现在我们有三种办法探测,一个是加速器上可以把它打出来,二就是说用卫星来观测银河系的中心,因为暗物质而产生的作用,第三个是直接做一个探索,用一个探测器放在很深的地底下进行探测。这里我给大家讲一下怎么可能把这个暗物质打出来,大家都知道在日内瓦有一个非常大的粒子对撞机,把质子加到非常高的能量。碰撞了以后,如果能量足够高的话,就会产生这种暗物质的粒子,这个里面的图是具体的过程,怎么可能把它产生。那么,这个是一种办法。这个能量需要足够的高,是吧?碰撞的强度,流强也要足够的强,才有可能把暗物质打出来。还有一种是所谓的间接探测。大家可以看到刚才的银河系包围在雾霾里,这个雾霾越到银河系中心越稠密,在这么一个非常稠密的雾霾里,暗物质粒子相互碰撞可能会产生可见的粒子,比如说正电子,嘎玛射线,中微子等等,所以我们可以用探测器探银河系的中心产生什么样的东西。我们国家前年发生了悟空卫星,这颗悟空卫星对准了银河系的中心看它产生的可见物质,特别是测量电子。

今天我要给大家介绍的是到地底下探测暗物质,为什么在地底下可以探测暗物质呢,刚刚我们讲了太阳系在雾霾里面运行,太阳的运动速度差不多是每秒220公里,所以相对于雾霾来讲,我们在地球上的所有物体,雾霾像水流一样流过我们所有的物体,所以我们可以通过一种办法来测量这种相对我们运动的雾霾。

暗物质粒子跟我们可见物质相互作用非常微弱,可以很自由的在地球里传来传去。但是它有一个非常小的概率,一下子碰到了原子核上面,就是说我们的普通原子分子,碰到上面的话,会把原子撞飞起来,这种撞飞起来的信号是可以观测到的。那么,所以我们造一个探测器,来等暗物质粒子撞到我们的原子分子上,看它飞起来的反应,这个有一点像守株待兔。就是说我们的原子和分子是一棵一棵树,而相对运动的雾霾像飞跑的兔子,一撞到原子和分子上像撞到树上一样有摇动,我们就观测这个摇动就知道有兔子撞上了,这是我们实际探测暗物质的原理,但是碰撞的概率非常非常小。我们的身体里面大概有一千亿亿个原子,有这么多树,每秒钟穿透我们身体的暗物质粒子有上亿个,这么多的兔子百秒钟穿透树林,如果我们盯上一天,兔子撞上树的概率有多大呢,不到一个,不到一次。所以大家可以看到这个暗物质跟我们的普通物质相互作用的概率是非常非常小的。但是,我们的身体暴露在宇宙线,暴露在放射性下面,所以我们的源子每天被宇宙线撞飞的次数有上亿次,所以大家可以想像,如果我们在地面上来探兔子来撞的话,就完全湮灭在我们的环境噪音里面,所以这就是为什么我们探测暗物质要躲到非常深的地底下,每往下面一千米的等效水深,宇宙线的干扰大概少十倍,2010年清华大学和雅砻江水电开发有限公司在四川径亭建立了世界上最深的地下试验场所,那里面的宇宙线干扰少了一百万倍,是一个非常好的探测暗物质的场所,这个在于哪里呢?大家都知道西昌卫星发射基地,离那里开车两个小时,就在大河湾的中央这个地方。这里有2400米,这个隧道18公里长,我们实验室在18公里长的中间。最右边是大家看到的自然杂志专门报道了中国暗物质组到这么一个得天独厚的地方去进行暗物质探测,是吧?

这是给大家稍微介绍一下,探测暗物质在上实际上已经进行了三十多年,从80年代的时候,人家就开始搞,但是一开始的时候,人家造各种各样的探测器摸索,怎么样才能造出好的探测器,能探测。但是,直到2000年的时候基本上进展不大,2000年的时候人类发明了一种叫高纯子探测器,半导体探测器,这个探测技术的话,后来随着时间的增长,探测灵敏度指数上升,这是直到2010年的时候,人们又发现了另外一种探测技术,用液氙探测,又发现了另外一个更快的指数上的探测灵敏度,所以现在为止我们的探测器的灵敏度大概已经上升了四五个数量级,那么我们在径亭上两个团队,清华大学和上海交大的团队,一个是高分子材料,一个是液氙来进行探测,我们选择世界上最两种最先进的探测办法。

这里讲一下我们所谓的PandaX,有上海交大,北京大学,山东大学,中科大等等四五十个人组成一个团队。那么我们的团队用液氙做成大型的探测器探测暗物质,不细讲了,因为时间关系。我们的氙在零下一百度的时候是常温采样下是气体,但是为了把树林搞得很稠密,我们冷冻到零下一百度,所以变成无色透明的液体状的东西放在容器里,然后我们在液氙的上面和下面,放在非常灵敏的光电管,像摄像头,我一个摄像头看这个树啊,所以用非常高灵敏的光电管来观察树的摇动。而且我们的技术非常先进,我们可以看到它的摇动是在哪一个方向?哪一个山地的位置。这个液氙有一个得天独厚的优势,我们可以在化学上做得非常纯,因为一有放射性,这个树立里产生很多的茶色的视力,我们体提纯到一个1个PPT,10的负12次方这么一个纯度,时间关系探测原理不讲了,这是120公斤级的探测器,可以探到有一些光电管直径60厘米,高15厘米,所以是120公斤级的液氙。这是2012年的时候,把这个运到了地下实验室,我们把这个和设备都在地下试验室安装起来,125公斤,没有发现暗物质,但是虽然没有发现,但是,但是我们也可以做出一定的判断,比如说有一艘船在太平洋上找不到了,但是我可以在某一个区域去搜,我没有发现这条船,就把这个区域排除了,这也是一个很重要的成果。

我们2014年发表的结果,把世界上看到的所谓的粒子信号统统都排除了。

接下来,我们又做了一个五百公斤级的探测器,2016年开始运行。这个探测器当时运行的时候是世界上最大的暗物质探测器。由于时间关系,运行历史不细讲了,但是我们运行了三个月,这三个月的期间,我们在探测器里面发现了2450万次的树的摇动,三个月看里面的信号产生的事件,2450万次,这个是每一个在什么时候发现,什么地点发生都会记录下来,记录下来以后我们就用各种各样分别,像大数据在北京找找某一个人,看看每一个人,看看像不像,我们用各种办法甄别,甄别完了以后我们发现2400万的例子里面没有找到暗物质,细节我不讲了。但是我们搜过的区域是世界上最大的区域,所以达到了世界上最高的谈灵敏度,所以我们结果发表在我们的物理学领域的PRL杂志的封面文章,把我们的探测器也发在了封面,2016年我们得到了世界上最强的暗物质探测的线子。今年我们又发表了一个新的结果,用探测器不断的运行,我们今年又取得了世界上最好的结果,跟欧洲和美国相比,(拉可斯 音)是美国的(疑吨 音)是欧洲的,我们也取得了比欧洲和美国更灵敏的探测的结果。暗物质探测我们没有找到,我们继续找,找更灵敏的探测器,所以我们下一步的计划造一个比现在灵敏度高十倍的探测器,这个探测器有一个望远镜,我造一个望远镜比现在的分辨率高十倍。世界上的暗物质探测是一个非常(好特 音)的领域,大家都是争先恐后的,欧洲和美国都在寻找。大家有很多的计划,我们有一个计划是做一个30吨的,30吨大概是世界一年的氙产量,所有产的氙拿过来做试验,会把氙的价格涨十倍都有可能,如果我提出来我要买30吨的氙的话,是不得了的一件事,大家有钱可以去买氙囤积起来。今后我们希望再造一个所谓的终级暗物质试验,这个试验能够把理论家预言的暗物质存在的中心区全部的探测过来,能够判断到底暗物质是不是在理论家预言的区域存在,所以最后展望一下。我们今后十年,很可能把探测器的灵敏度再改善两到三个数量级,暗物质是不是弱相互作用重粒子做出判断,中国黑直接探测团队有望对这个历史性的结论做出贡献。刚才我们讲到了我们有地下,也有天上,悟空卫星,我们习总在十九大也提到了暗物质卫星,所以我们也非常期待暗物质卫星和地下,以后也许我们造一个非常大的环身加速器来把暗物质碰出来,所以我们国家这几年,在这么一个世界最前沿的科学领域当中,已经开始从并跑到跟跑,所以最后,我们实现领跑世界前沿研究。谢谢大家。