最近瑞士苏黎世大学和以色列希伯来大学的科学家搞了个大动作,他们把一个叫QROCODILE的探测器塞进超低温冰箱,温度压到接近绝对零度,结果在400小时的“监听”里,真捕捉到了一些异常信号。
这些信号,可能就是人类找了上百年的暗物质留下的。
暗物质这东西邪乎得很,咱们能看到的星星、星系加起来,也就占宇宙总质量的15%,剩下85%全是这玩意儿。
但它不发光不反光,跟普通物质基本不搭理,平时根本测不着。
科学家从一百年前就开始琢磨它,从爱因斯坦猜“宇宙中还有别的东西”,到后来用星系旋转速度算出来“缺了大块质量”,找了这么多年,还是没抓着实锤。
以前找暗物质,主流思路是抓“重暗物质粒子”(WIMPs)。
探测器多半泡在地下几公里的液氙里,等暗物质粒子撞氙原子核,撞出光来就记录。
但这么多年过去,除了偶尔的背景噪音,啥正经信号没有。
后来科学家们就想,会不会方向错了?说不定暗物质粒子比咱们想的轻得多,轻到撞不动原子核,传统方法根本测不到。
把探测器冻到“发抖”,超导纳米线的黑科技
轻暗物质粒子撞不动原子核,但它带不带电荷?会不会跟电子有点互动?科学家们就顺着这个思路,搞出了QROCODILE探测器。
这玩意儿的核心是一根超导纳米线,细到只有头发丝的万分之一,还是MIT专门定制的。
要让这根线干活,温度得低到离谱接近绝对零度(-273.15℃)。
到了这个温度,纳米线就进入超导状态,电阻变成零,电子在里面“跑”得毫无阻力。
这时候如果有个轻暗物质粒子撞过来,哪怕动静再小,也会让纳米线局部“升温”,超导状态被破坏,瞬间产生一个微弱的电信号。
光有纳米线还不够,实验装置得“稳如老狗”。
他们用了稀释制冷机,把温度死死控制在0.01K(比绝对零度高0.01℃),误差不能超过百万分之一度。
为了挡住宇宙射线这些“干扰项”,探测器外面裹了好几层铅,实验室还做了主动降噪,连隔壁冰箱启动的震动都得屏蔽掉,这setup比咱们家里的精密仪器娇气多了。
400小时“窃听”宇宙,信号到底是不是暗物质?
准备工作做足,实验就开始了。
从去年夏天到秋天,QROCODILE在苏黎世大学的地下实验室里连续工作了400小时,相当于17天不吃不喝。
科学家们盯着屏幕,就盼着那根纳米线突然“跳一下”,还真让他们等着了。
在一堆杂乱的背景信号里,有几个信号特别“扎眼”,能量正好落在理论预测的轻暗物质粒子范围内,而且出现的时间和方向,跟地球绕银河系转时“暗物质风”吹过来的方向能对上。
耶路撒冷希伯来大学的约尼特·霍赫伯格教授团队反复验算,排除了宇宙射线、仪器故障这些可能性,最后觉得“这信号大概率跟暗物质有关”。
不过话说回来,科学讲究严谨,现在说“发现暗物质”还太早。
毕竟这信号太弱,到底是暗物质还是某种没发现的背景噪音,还得更多实验验证。
就像霍赫伯格教授说的,“我们只是找到了一条可能的路,后面还得让别的实验室跟着走一遍,看看能不能重复出来。”
其实国际上类似的实验不少,美国的LUX-ZEPLIN、意大利的XENONnT,用的还是液氙,但灵敏度比以前高多了。
去年XENONnT还发了论文,说没找到重暗物质的证据,等于给轻暗物质研究又加了把火。
QROCODILE这次的优势,就是专门针对轻暗物质设计,灵敏度在这个领域算是顶尖的。
科学家们已经在规划下一步了,他们搞了个NILE计划,打算未来五年在加拿大或美国的地下实验室里,建一个100通道的探测器阵列,把现在的单根纳米线扩展成“纳米线森林”。
目标是把探测阈值从现在的0.11eV降到0.05eV,相当于能“听”到更轻、更安静的暗物质粒子。
如此看来,暗物质探测不光是物理问题,更是人类对未知的较劲。
从牛顿用望远镜看星星,到现在用超低温纳米线“摸”粒子,科学的进步往往就是在“此路不通”时换个思路。
就算这次的信号最后被证明不是暗物质,至少也告诉我们“这条路可能也走不通”,排除法也是科学的一部分嘛。
说到底,人类折腾这些有啥用,可能短期内没啥用,既不能当饭吃,也不能造手机。
但正是这种对“宇宙为什么是这样”的好奇,才让我们从山洞里走出来,走到能探索星系、追问暗物质的今天。
说不定哪天暗物质搞明白了,整个物理学体系都得重构,到时候谁知道会蹦出什么黑科技呢?
现在就等其他实验室的消息了,要是真能重复出QROCODILE的信号,那暗物质这百年谜题,可能真要被人类解开了。
到时候咱们再回头看,那个被冻到接近绝对零度的探测器,说不定就是打开宇宙85%质量秘密的钥匙。
编辑:陈方
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