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隧道尽头的黑暗

更新时间:2020-07-25 21:16点击:

被称为“鸟笼”的电梯会在早上7:30准时离开。迟到的人运气不好。

大约有二十多人穿着工作服、安全帽和厚橡胶靴,挤进笼子里,然后厚重的黄色金属门被猛地关上,慢慢滑向黑暗。一股稳定的雨水从支撑电梯井的木板上倾泻而下,电梯井必须持续湿润以防止腐烂。似乎没有人在意。谈话是关于家庭生活,周末计划和午餐吃什么。

大约10分钟后,电梯下降了将近1英里,砰的一声停了下来。当门打开时,你走进一个岩壁粗糙的洞穴。

直到2002年,这还是南达科他州布莱克山的一个正在开采的金矿。矿工曾经用炸药炸岩壁。脚下的铁轨把满载物资的大车运到地面。现在,它们被用来运送带着设备和人员的小型火车深入向四面八方延伸的隧道。

再往下走一段走廊是一间干净的房间,你必须在那里换工作服,洗靴子,用外用酒精清洗你的物品。当你走得更远,它开始感觉更像一个普通的,虽然没有窗户的工作场所。油管在上方和管壁上运行。桌子靠在走廊的一边。甚至还有咖啡机和帕尼尼饼机。

在走廊的尽头,两扇门打开,露出了一个科学实验室,戴维斯校园在桑福德地下研究设施。它以雷·戴维斯(Ray Davis)的名字命名,戴维斯是第一位通过实验探测到从太阳发射的中微子的物理学家。在20世纪60年代,当这个矿井还是一个矿井时,戴维斯就在这里进行了开创性的工作。今天,这个空间就像老詹姆斯·邦德电影中一个恶棍的巢穴。研究人员四处奔走,检查设备和监视器。电脑堆叠在一起发出嗡嗡声。

在这里,布兰代斯的物理学家比约恩·潘宁和他的实验室,以及来自世界各地的250名研究人员,正在寻找粒子物理学的终极宝藏——暗物质。作为宇宙中最难以捉摸但又普遍存在的物质之一,暗物质仍然是科学上最大的谜团之一。

但潘宁和他的研究同事们可能即将解开这个谜团。

弱相互作用大质量粒子是否统治着宇宙?

20世纪20年代,加州理工学院的天文学家弗里茨·兹威基在南加州的威尔逊山上工作,使用当时世界上最强大的望远镜,他注意到几亿光年之外的星系的运动有些奇怪。

瑞士出生的兹威基所研究的恒星是一个星系群的一部分,这个星系群被称为后发星系团。后发星系团的星系围绕其中心旋转,就像我们太阳系的行星围绕太阳旋转一样。通过艰苦的工作,兹威基计算了彗发中心星系的质量,以确定它们所施加的引力;质量越大,引力就越大。

兹威基很快发现他的数字不符合实际。中心星系的质量不够大,不足以产生足够的引力,使外围星系保持在它们的轨道上。外围星系应该已经从彗发中挣脱出来,迅速飞向太空。

只有一个结论。在彗发系统中必须有额外的质量来保持所有星系在一起,质量不是来自恒星本身,而是来自它们之间的空间,被黑暗的空间所隐藏。在1933年的一次会议上,兹威基提出了这种未知物质的理论,即暗物质。

在接下来的40年里,兹威基的理论很快就被遗忘了。然后,在20世纪70年代,美国天文学家维拉·鲁宾对仙女座星系进行了类似于兹威基的计算。鲁宾是她所在领域为数不多的女性之一,曾在南加州的帕洛玛天文台(Palomar Observatory)工作(在那里,她必须把裙子的轮廓与卫生间门上的男性图标结合起来,才能创造出一个女性厕所)。她的结果证实了兹威基的发现,使他的暗物质理论再次得到证实。

后来的研究使我们重新认识到我们对宇宙的了解是多么的少。事实证明,原子在所有物质中所占的比例不到5%。暗物质占27%。宇宙的其余部分由一种同样神秘的物质组成,叫做暗能量。

科学家认为,暗物质很可能是由称为弱相互作用大质量粒子的亚原子粒子组成的。大质量弱相互作用粒子和大多数其他形式的物质一起起源于早期宇宙,这些物质是由像电磁力这样的力量把粒子聚集在一起形成的。与这些粒子不同,弱相互作用大质量粒子是孤立的。它们主要是被引力吸引到其他粒子上,与宇宙中作用于物质的其他力相比,引力的作用弱得令人难以置信。

虽然我们周围到处都是弱相互作用大质量粒子,但它们不会被构成我们身体的原子所吸引。就像幽灵一样,每秒钟都有数十亿个弱相互作用大质量粒子从我们身边穿过,而我们却浑然不知。

当弱相互作用大质量粒子撞击一个原子时,它们会产生一种独特的、非常微弱的信号。如果在地面上寻找暗物质,这个信号会被来自太阳的宇宙辐射淹没,或者被坍缩或碰撞的恒星抛向我们的方向。

这就是为什么SURF的暗物质研究是在地下的一个废弃矿井中进行的。上面的岩石和灰尘减少了10亿倍的宇宙辐射。其他几个大型科学实验也在SURF进行,它由南达科他州科学技术管理局运营,由美国能源部、南达科他州和私人捐款提供资金。从粒子物理学家的角度来看,尽管有泥土、灰尘和碎石,这个废弃的矿井是一个理想的“干净”的环境,可以进行研究。

消除了不可能

41岁的潘宁于2017年加入布兰迪斯。他在德国南部黑森林边缘的小镇Spaichingen长大。7岁那年,他收到了一架望远镜作为圣诞礼物。他把望远镜对准星星,然后就迷上了望远镜。对《星际迷航》的热情自然随之而来。“因为我知道我不能成为星际舰队的船长,”他说,“我必须做斯波克做的——科学军官。”

在附近的弗莱堡大学(University of Freiburg),他以本科生和博士生的身份学习了粒子物理学。他的研究带他到伊利诺斯州费米实验室学习,费米实验室是美国首屈一指的粒子加速器在那里,原子以接近光速被撞在一起,这样科学家就可以分析碎片。在那里,他遇到了他的妻子马塞勒·索瑞斯-桑托斯(Marcelle Soares-Santos)。马塞勒和彭宁一样,现在是布兰迪斯大学的物理学助理教授。

2010年中期,作为英国布里斯托尔大学的一名教员,潘宁在瑞士的大型强子对撞机工作,这是一个比费米实验室更大的粒子加速器。2012年,他所在的团队证实了希格斯玻色子(Higgs boson)的存在,该粒子为其他所有粒子提供了质量。这是一个重大突破:希格斯粒子是所谓的粒子物理学标准模型(Standard Model of particle physics)中最后一个未被发现的亚原子粒子。标准模型于20世纪70年代定稿,是迄今为止关于宇宙如何运行的最完整的模型。

尽管标准模型包含17种不同的粒子,包括夸克、轻子和中微子,但它不包括弱相互作用大质量粒子。11年前建造大型强子对撞机时,科学家们希望它能提供标准模型之外存在粒子的证据。但事实并非如此,这促使一些科学家怀疑弱相互作用大质量粒子的存在,转而讨论轴子、惰性中微子和温姆齐拉子等替代物质。

2013年,研究人员宣布了他们首次尝试寻找暗物质的结果。这个被称为氙气暗物质的大型地下实验进行了三年半。结果什么都没有。

从那时起,潘宁和来自世界各地大学和实验室的研究人员修改了他们的设计,开发出了一种新的探测器——卢克斯-泽普林,它的灵敏度几乎是勒克斯的1000倍。彭宁说,它成功的几率要大得多。

luxax - zeplin探测器由一系列嵌套的筛子组成,每个筛子都被设计用来过滤各种亚原子粒子,因此,至少在理论上,任何能到达中心的粒子都是弱相互作用大质量粒子。为了强调这种逻辑,潘宁引用了福尔摩斯的话:“当你排除了不可能,剩下的无论多么不可能,都一定是真相。”

最外面的筛子是一个26英尺高的不锈钢增值税,仍在建设中。由于水会阻挡伽玛射线和中子的传播,因此将有7万加仑的超纯水被倒入大桶中,以防止这些粒子向内部扩散。

第二个筛子将阻挡中子,这是一个特殊的问题,因为它们会产生微弱的信号,很容易被误认为是弱相互作用大质量粒子。这个筛子由10个悬浮在水中的12英尺高的丙烯酸罐组成,里面装满液化的钆中子和线性烷基苯(清洁产品的常见成分)。

潘宁的团队设计了环绕丙烯酸罐的传感器。它们看起来像巨大的k型杯,外面裹着白色的特卫克。当中子与钆原子接触并被“捕获”时,光子就会发射出来。传感器探测到这些光子,这表明一切都按计划进行,没有中子穿过钆势垒。

实验的最内层密室是一个13英尺高的钛圆柱体,里面装满了液态氙。在水中,钢瓶将被压克力容器包围。

如果科学家关于大质量弱相互作用粒子的理论是正确的,那么氙就是最能探测暗物质粒子的行星元素。致密地聚集在一起的氙原子可以诱捕弱相互作用大质量弱相互作用粒子,释放出两束光,这两束光被钛圆柱体中的传感器探测到,让研究人员知道暗物质已经被发现。

就像在瓶子里造船

2019年3月,潘宁和他的实验室在SURF工作,在探测器的不锈钢容器内,除了钛圆筒,它是空的,最终将容纳氙。潘宁团队——博士后研究员瑞安·王,高级机械工程师安德烈·达什金,研究生卢克·科里和电子工程师理查德·斯图德利——正在建造环绕内壁的脚手架,支撑着潘宁设计的k杯状传感器。

布兰迪斯大学的科学家们仅用假零件和设备进行了一次试验。当探测器在今年晚些时候启动时,所有参与实验的其他大学都将完成它们在容器内的安装过程。布兰代斯团队是最后一个去的,他们的工作设备距离墙只有3.5英尺。彭宁把它比作在瓶子里造船。它需要大量的练习。

必须遵守的严格清洁标准使这项任务特别困难。大质量弱相互作用大质量弱相互作用粒子非常微弱,即使是一粒尘埃也能掩盖它们的信号,使传感器无法探测到。如果彭宁的团队把工具掉在地上,或者把螺丝掉在地上,地板很容易就会被砸破。

所以潘宁实验室的工作节奏非常精准。Dushkin在梯子上上下移动,把脚手架的金属杆栓在一起。科利把他需要的工具交给了他。斯达德利跪在地板上,用激光水平确保支柱对齐。他们不怎么说话。他们知道自己需要做什么。

与此同时,斯达德利还在研究探测器投入使用前几天将面临的一个问题。他们需要带一个梯子进去搭脚手架。他们将绕着圆筒工作,直到回到入口,一个3英尺宽的入口。但是没有足够的空间把梯子推出门外。唯一的解决办法是定制一架可折叠或可拆卸的梯子。Studley说这是可行的,但他还没有完全弄明白。

一天快结束的时候,每个人都开始注意到一股恶臭,像腐烂的卷心菜或臭袜子。彭宁说这就像一个巨人放屁了。

事实上,这是一个疏散演习。科学家工作的一些隧道缺少电力或手机信号。唯一的办法就是释放臭气,也就是含有无毒化学物质乙基硫醇的天然气。该设施还通过其他方式向人们发出警报——警报、电子邮件和短信——但恶臭气体巧妙地增加了额外的安全级别。即使你不知道它会引发疏散,你也会不顾一切地逃离。

恶臭的气体意味着一天的工作必须结束。笼子在下午只来回一次。今天得早点。科学家们挤在里面,然后被送回表面。

当SURF的暗物质探测器投入使用时,它的数百个传感器将在接下来的5年里,每周7天、每天24小时,每秒收集数百万条数据。科学家们将在他们大学的电脑上监测结果。

如果发现了一个懦夫,没有警报,没有钟声。研究人员只会注意到散点图上的一簇点。项目的一些最强硬的怀疑论者将仔细研究、检查、反复检查和审查结果。如果一切顺利,我们对宇宙的理解将永远改变。

雷·戴维斯(Ray Davis)的研究工作就在现在可以冲浪的隧道深处进行,他后来获得了诺贝尔物理学奖。如果潘宁和他的同事们的努力成功了,他们也能找到同样的金矿。

由于COVID-19大流行,冲浪作业暂停。科学家预计实验将在今年夏天晚些时候重新开始。