暗物質有可能藏在地球內部?地球本身就是暗物質探測器?

超弦 發佈 2020-03-20T13:16:31+00:00

眾所周知,宇宙中的物質遠比我們所看到的要多得多,但是其中有某種形式的物質對我們來說是完全看不見的,科學家給它命名為暗物質。

眾所周知,宇宙中的物質遠比我們所看到的要多得多,但是其中有某種形式的物質對我們來說是完全看不見的,科學家給它命名為暗物質。暗物質是我們宇宙的假想組成部分,它可以用來解釋恆星和星系的許多奇怪行為。

但是無論暗物質是什麼,它都是一種不與光相互作用的新粒子,這意味著它不發射、吸收、反射或折射電磁輻射。這意味著我們看不到它,對我們來說,它完全是一種未知的存在。

為了找到暗物質,科學家通過各種方法直接或者間接搜索暗物質的蛛絲馬跡,奈何未能如願,只是知道這一種物質存在,但我們仍然不知道它是由什麼構成的。分散在世界各地的探測器已經運行了幾十年,試圖捕捉路過的暗物質粒子的微弱蹤跡,但毫無效果。

即便我們通過各種天文觀測知道了暗物質的存在,但是恆星繞星系中心旋轉的速度太快了,而星系在星團內部的旋轉速度也太快了,人類誕生的太晚了,宇宙中的大型結構出現得太早了,我們無法捕捉到早起宇宙的神秘組合。

到目前為止,我們知道暗物質存在的唯一途徑是通過引力。儘管暗物質具有看不見的超能力,但它仍然有質量,這意味著它可以拖曳和塑造宇宙中最大的物體,因此我們可以通過更明亮的恆星和星系的運動來揭示它的存在。但是近日有一項研究表明,暗物質之謎的答案可能就在我們的腳下,最好的暗物質探測器可能是地球本身!

尋找暗物質——在地球內部

為什麼科學家會這樣認為呢?這實際上和暗物質的候選粒子有一定關係。我們知道,粒子物理學家一直在製造新的粒子,作為新物理學理論的結果,其中一些符合暗物質可能存在的條件。最有希望的候選者是一種被稱為WIMP的粒子,這是一種弱相互作用的大質量粒子。

「弱相互作用」部分並不僅僅意味著粒子是弱的,它意味著暗物質偶爾會通過弱核力與正常物質相互作用。但正如它的名字所暗示的那樣,弱核力並不是最強的,而且它的射程很短,使得這些相互作用非常罕見。

但是「罕見」並不意味著「從不」。科學家推測,可能數十億甚至數萬億的暗物質粒子正在你體內遊動。但由於暗物質幾乎察覺不到正常物質,因此你根本感覺不到它。所以在你開始看到它的引力效應之前,也就是暗物質有所動作之前,就必須進行大規模的測量。

然而,暗物質粒子在弱核力的作用下失控並與正常物質粒子發生相互作用的情況非常罕見,確切地說,目前還不知道這種情況有多罕見,因為其中涉及到能量的轉移。比如,暗物質粒子作用於正常粒子,讓正常物質動起來,而這個行為是我們可以探測到的。但由於它如此罕見和脆弱,我們的探測嘗試還沒有被證明是有效的。我們需要體積很大的大型探測器,而且因為這種相互作用非常罕見,所以要麼建造一個巨大的探測器,要麼等上幾百年才有好運氣捕捉到這一現象。

更重要的是,我們必須把這些探測器埋在地下深處,最好在地表下2公里。這是因為有很多的亞原子反應發生,其他高能粒子,如中微子和宇宙射線,也會導致類似的撞擊,我們需要在它們撞擊探測器之前使用大量的岩石來吸收它們,如果我們確實看到信號,那麼我們就有理由猜測它有可能是由暗物質引起的。回歸現實,幾十年來,我們一直在建造更大的探測器,並仔細觀察,但到目前為止,我們還沒有找到任何合適的探測器。

最大的暗物質探測器:地球

但是考慮到我們生存的環境,比如工程和成本的限制,我們製造暗物質探測器的規模是有限的。不過值得慶幸的是,根據一項新研究,有一個巨大的暗物質探測器,它已經收集了數百萬年的數據,它就在我們的腳下,它就是地球。

科學家解釋,地球地殼本身就是一個巨大的暗物質探測器,當游離的暗物質粒子與岩石內部的正常物質相互作用時,一個質子或中子就會被撞散,從而改變撞擊點附近岩石的化學成分,甚至有可能讓粒子飛起來,留下一個微小的疤痕。

當然,如果有條件,我們可以深度挖掘可以探測到地殼的某些部分,深度是目前暗物質探測器探測深度的兩倍以上,這有望使探測結果更不受宇宙射線和其他有害粒子的干擾。因為那個深度的岩石存在了數百萬年,甚至數億年,它們一直記錄著暗物質之間的相互作用,這遠遠超過了我們在實驗中所能做到的時間。所以想要探測它們很簡單,挖出一堆純度較高的岩石,用細齒顯微鏡仔細檢查,尋找任何亞原子反應的跡象。

當然,這裡有一個問題,我們知道地球岩石自然含有一些放射性元素,放射性衰變會產生類似的特徵。為了解決這個問題,研究人員建議深入研究海洋地殼,因為海洋地殼比大陸地殼純凈得多。有了這一點,我們就可以很容易地得到一個超級探測器,因為即使是一公斤重的岩石也能超過目前世界上最好的探測器的靈敏度。

所以現在剩下的就是,行動!

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