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從超重粒子到超輕粒子︰在尋找暗物質之路上分散投資

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撰文者:文裕
發文日期:2018-09-23
點閱次數:1808
  • 1964年希格斯玻色子首次出現在理論物理學中,2012 年CERN才找到希格斯玻色子;1916年重力波伴隨著廣義相對論初見於物理學中,2015 年LIGO才觀測到重力波——希格斯玻色子和重力波都紙上談兵了好幾十年,才被科學家觀測到。

     

    也許下一個不再是紙上談兵的是「暗物質」了。
     

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    圖片來源:123rf

     

    暗物質的質量佔了宇宙的27%,但偵測它卻一點也不容易——它不反射、吸收、發出光線,我們也不知道它具體如何與其他已知的粒子互動。

     

    暗物質的本質是什麼?科學界對此一直眾說紛紜。其中最有望脫穎而出的假說是:「暗物質是一種大質量弱交互作用粒子(WIMP),它的質量約為質子的100倍。」過去10年間,雖然尋找WIMP的實驗靈敏度都突飛猛進了,但即使是最強大最頂尖的探測器,仍無法捕捉到WIMPs的蹤影。

     

    「到現在仍未有任何找到暗物質的徵兆,對此我有點驚訝。」Southern Methodist University 物理系教授兼超低溫暗物質搜尋計劃(SuperCDMS)的參與者約迪‧科里(Jodi Cooley)說︰「這對理論物理學家和實驗物理學家都是一個挑戰,驅使了他們去開闢新道路。」

     

    杳無音訊的WIMP讓科學家尋找其他研究方向,是否代表WIMP假說已經是風中殘燭?

     

    不盡然。「科學家們的點子趨向多樣化。」費米國家粒子加速器實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory)的高級科學家丹‧霍柏(Dan Hooper)說︰「WIMP假說並沒有消失,科學家仍然對它相當感興趣;只是我們會對於其他理論抱持更開放的態度。」

     

    揭不開WIMP的面紗,可能是因為事實上暗物質的粒子質量其實沒WIMP那麼重。要是如此,它們的交互作用會更不明顯、更隱秘、更難偵測。「低質量暗物質說」不單可以解釋暗物質如何一直逃過探測器的法眼,似乎還提供了一些新的實驗方向。

     

    另一個暗物質的熱門候選人是軸子(axion)。在粒子物理學中,軸子比WIMP輕得多。在尋找暗物質的粒子散射實驗中,軸子甚至輕得無法被偵測。「相較於WIMP,軸子真的很輕。」軸子暗物質實驗(Axion Dark Matter Experiment,ADMX)一員的丹尼爾‧玻林(Daniel Bowring)說︰「一般我們談論WIMP時,都是在討論質量介乎10 GeV和1000 GeV之間的粒子。但如果我們要找軸子,那我們就要找出質量為μeV數量級的粒子了。」[註1]

     

    軸子其實不是新玩意,科學家們早已經對軸子略懂一二。這部分要歸功於ADMX的改進,這讓科學家能偵測又小又輕的粒子。


    暗物質是不是粒子?


    雖然暗物質的本質仍未確定,科學家們都同意它一定存在。「宇宙學家、粒子物理學家和天文學家當中壓倒性的大多數都認為暗物質幾乎必然存在。」霍柏說︰「我們在宇宙當中任何一個角落都找到它存在的證據。」

     

    因為暗物質透過重力來展示自己的存在,所以有些理論物理學家認為它不是一種全新的粒子,而是重力表現得不像我們理解的一樣。「我認為支持粒子說的證據比支持重力說的要強。」科里又補充︰「不過我們不應該否決任何一個研究方向——因為最終搞錯的有機會還是我們(支持粒子說的科學家)。但我願意把幾乎所有家財賭在粒子說身上。」

     

    部分科學家支持粒子說的原因是,它能夠解決物理學中其他未解之謎——不論它是WIMP還是軸子。

     

    比方說,有一個假說叫做「WIMP的奇蹟」。

     

    「無論暗物質的本質是什麼,我們都認為它是在大爆炸時產生的,當時的暗物質可能會與一般物質發生交互作用並處於動態平衡。其後,暗物質冷卻下來,它喪失與一般的物質發生交互作用的能力,並變成現在的狀態。如果我們知道某種粒子的交互作用方式和質量,我們就可以做一些計算,然後計算暗物質的含量並與現實作對照。」霍柏解釋。

     

    軸子的質量與WIMP是天壤之別,但軸子暗物質卻可以解釋別的現象。「人們喜歡軸子理論,是因為它可以解釋到標準模型的一些問題。」玻林還補充︰「軸子(Axion)的名稱來源是一種家用清潔劑,它可以『把標準模型清理乾淨』。」軸子可以解釋CP對稱性破壞——它可以解釋為何宇宙中的物質會多於反物質。

     

    同時,暗物質亦有可能不只是WIMP、軸子或某一種粒子,而是多種粒子的混合而成的「雞尾酒」。雞尾酒暗物質說仍是一個人跡罕至的課題。「我們將會發表更多論文討論多種粒子的暗物質。」霍柏指出︰「如果暗物質是由多種粒子構成,它們之間可能會有交互作用,但它們卻不太會與一般的物質發生交互作用。這方向既有趣且合理。」

     

    相輔相成的理論

     

    若科學家們能觀測到這些粒子,他們就知道暗物質的成份是什麼。「暗物質的粒子每分每秒都流過地球,它們一直都在我們身邊。」科里說︰「我們想做的,就是捕捉暗物質的粒子與我們的儀器發生交互作用的一瞬間。」

     

    科里告訴我們,美國投資在研究暗物質的資金中,最大部分用於三個大相逕庭卻又相輔相成的技術︰

     

    1. 液態氙時投影室(Liquid Xenon Time Projection Chamber)
    2. 超低溫暗物質搜尋計劃(Super Cryogenic Dark Matter Search,SuperCDMS)
    3. 軸子暗物質實驗(Axion Dark Matter Experiment)

     

    「現存林林總總的暗物質假說,當中大部分都可由這三個研究驗證。」科里說︰「美國也投放了一些資金在較小的計劃中…… 新技術將來也可能應用於暗物質的研究。」

     

    位於意大利的大薩索山實驗室(Gran Sasso Laboratory)中的氙 – 1T實驗就是一個液態氙時投影室——探測器中盛滿了超低溫液態氙,靜待與暗物質發生反應。理論上,一粒WIMP——或者其他足夠重的暗物質粒子——經過探測器時,它會產生一次雖微弱但可觀測的閃光。

     

    而SuperCDMS的技術則存在了幾個年代了,但位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站實驗室(Sudbury Neutrino Observatory,SNOLAB)擁有最新改良的技術。這技術的基礎是這樣的︰在極低溫時,矽和鍺的晶格幾乎不會振動,當暗物質與這些晶格發生交互作用時,這些晶格會微弱地振動,科學家透過相當靈敏和準確的測量來找出晶格的振動,並以此發現包括WIMP或其他粒子組成的暗物質。「我們可以用新世代的技術去測量非常輕的暗物質粒子。」

     

    由於ADMX主要是探測小質量的軸子而非WIMP,它背後的技術與前者南轅北轍。「軸子與電磁場的交互作用非常輕微但並非不存在。故此,在極強的磁場中,軸子可以變成光子。而該光子的頻率則由軸子的質量而定。」玻林解釋道︰「因為我們不知道軸子質量,所以我們事前其實不知道應該偵測哪個頻率的光子。這就像你嘗試用收音機找出信號非常微弱的特定某個電台——背後沒什麼訣竅,總之先去找找看就對了。」

     

     

    涓滴而成的結論

     

    當某探測器顯示它抓到暗物質的痕跡時,科學家們並不會馬上丟下手上所有的工作然後開嘉年華會大肆慶祝,也不會宣告大功告成然後回家倒頭大睡。「通常科學家們會懷疑是次結果,並提出很多可能導致這觀測結果的其他解釋。」霍柏說︰「把很多不同的實驗結果拼湊成一幅大圖像,這是尋找答案的王道。求真的道路是點滴累積的實驗。」

     

    科學家會要求多個探測器都有相似的陽性結果以作對照,才可以斷定他們手上的陽性結果並非假陽性。以希格斯玻色子為例,因為CERN中的兩個大型強子對撞機ATLAS和CMS都偵測到相同的訊號,所以希格斯玻色子的存在就能很快被確認。然而在暗物質方面,除了意大利大索薩山的DAMA/LIBRA探測器以外,沒有一個探測器有給出過陽性觀測。

     

    所以直到現在,科學家的主流意見都認為我們還未找到暗物質。但現在是尋找它的絕佳時機。「我們手持新技術,大家都在思考這些技術會引領我們至何方。這是讓人興奮又期待的時期。」科里指出,要讓暗物質的研究保持進度,資金必不可少,它會投放在探測器和創新的想法中︰「這就像投資組合一樣︰你會把資金放在手上進行中的項目(WIMP),同時也得高瞻遠矚,想清楚有怎麼樣的可能性等著我們。」

     

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    圖片來源:123rf

     

    註1

    eV 本身是能量單位,1 eV = 1.6 × 10–19 J。粒子物理學中,常以E = mc2一式來把質量換算成等價的能量,以讓變換後的質量數值更易於互相比較。

    因此,玻林提及到WIMP的質量範圍「10 GeV至1000 GeV」等價於約「1.8 × 10–26 kg 至1.8 × 10–24 kg」。而軸子的質量數量級 1 μeV 則約等於1.8 × 10–42 kg。

     

     

    感謝American Physical Society授權物理雙月刊翻譯本文並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。

    編譯者︰文裕

    原文刊登於APS News July/2018

    https://www.aps.org/publications/apsnews/201807/dark-matter.cfm

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