北京時(shí)間1月3日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，對暗物質(zhì)研究而言，2018年是重要的一年。然而，與往常一樣，天文學(xué)家其實(shí)并沒有找到任何暗物質(zhì)。我們的望遠(yuǎn)鏡觀測不到它們，但它們似乎又占據(jù)了宇宙質(zhì)量的至少80%。
前不久曾經(jīng)有“暗物質(zhì)颶風(fēng)”正朝地球而來的報(bào)道，但我們還無法看到其真正面目。研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)似乎不存在任何暗物質(zhì)的星系，奇怪的是，這反過來證明了暗物質(zhì)的存在。不過，最終他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)星系可能還是具有暗物質(zhì)，從而使一些科學(xué)家對暗物質(zhì)的存在感到懷疑。多個(gè)本來應(yīng)該在地球上直接探測到暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目至今仍一無所獲。
圖片中的地下水箱將是放置LUX-ZEPLIN探測器的地方
LIGO項(xiàng)目運(yùn)行著兩個(gè)干涉儀，一個(gè)位于華盛頓州東部的漢福德，另一個(gè)位于路易斯安那州的利文斯頓
那么，當(dāng)我們步入2019年時(shí)，科學(xué)家又會去哪里尋找暗物質(zhì)呢？或許我們應(yīng)該保持樂觀，從各個(gè)方面來看，對暗物質(zhì)的搜尋工作都在不斷向前推進(jìn)。從大型地下探測器到大范圍的巡天觀測，以下就讓我們來盤點(diǎn)將在2019年進(jìn)行的一些暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)。
LIGO重新上線
2015年，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）直接觀測到了引力波，而在2019年初，這臺探測器將開始第3輪的觀測任務(wù)。在進(jìn)行了一系列設(shè)備升級之后，LIGO將收集比以往多得多的數(shù)據(jù)。
那么，引力波探測器暗物質(zhì)搜尋中能做什么呢？利用引力波數(shù)據(jù)，科學(xué)家或許能揭示一些反映暗物質(zhì)存在的可能性，不過現(xiàn)在還沒有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。
2018年，有研究者提出，如果宇宙某處隱藏著一種質(zhì)量非常小的“暗光子”，那它的信號可能會在LIGO的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，在引力波特征信號中導(dǎo)致特殊的非常規(guī)情況。
“我們揭示了基于地面和未來基于太空的引力波探測器具有發(fā)現(xiàn)（結(jié)論性的暗物質(zhì)）的能力，”研究人員寫道。在LIGO重新投入運(yùn)行之后，在引力波數(shù)據(jù)中找到暗物質(zhì)的證據(jù)開始有了一定可能性。
MiniBooNE探測器的內(nèi)部
MiniBooNE是否會放棄幽靈中微子？
在整個(gè)2018年，科學(xué)家都在興奮地談?wù)撁绹M(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab National Accelerator Laboratory，簡稱Fermilab或FNAL）一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)被稱為“MiniBooNE”，似乎發(fā)現(xiàn)了一些不應(yīng)該存在的粒子。目前最好的解釋是，宇宙中存在尚未被發(fā)現(xiàn)的第4種中微子，名為“惰性中微子”。這種粒子與宇宙其他部分的相互作用甚至比其他類型的中微子還微弱，換句話說，它們不參加除引力以外的任何相互作用。
一些研究者認(rèn)為，惰性中微子可以作為暗物質(zhì)的候選粒子。隨著2018年的過去，物理學(xué)家們對于這種異常情況的看法越來越堅(jiān)定。在2019年，他們將以新的方式來思考相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步看清惰性中微子的實(shí)際身份。
大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST）將設(shè)置在智利北部的帕穹山（Cerro Pachón）
LSST的工程第一光
大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey Telescope，簡稱LSST）是正在智利建造的一臺廣視野巡天反射望遠(yuǎn)鏡，它可以每隔15秒拍攝大片天空的詳細(xì)圖像，每3天完成一次全天空掃描。在未來10年時(shí)間里，它將一次又一次對拍攝的圖像進(jìn)行比較，以追蹤天空中出現(xiàn)的任何變化，為了解暗物質(zhì)如何影響宇宙提供最深入的數(shù)據(jù)來源。
許多科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)塑造了星系及其恒星運(yùn)動和相互作用的方式。LSST的目標(biāo)便是填補(bǔ)天空圖景中的空白，為了解宇宙如何運(yùn)作提供前所未有的細(xì)節(jié)。這將為天體物理學(xué)家提供大量有關(guān)暗物質(zhì)性質(zhì)及其在宇宙中所起作用的數(shù)據(jù)。
2019年，研究人員將首次開啟這臺重達(dá)2800千克的望遠(yuǎn)鏡，即進(jìn)行第一次觀測——在天文學(xué)中稱為“開光”（First light）。正式的科學(xué)運(yùn)行將在2022年開始。
美國南達(dá)科達(dá)州的研究人員正在1.6千米的地下進(jìn)行著LUX-ZEPLIN實(shí)驗(yàn)的施工
建造下一代探測器的競爭將升溫
長期以來，粒子物理學(xué)家推測暗物質(zhì)的第一個(gè)直接標(biāo)志可能是一道閃光。其中的工作原理是：隨著暗物質(zhì)在非常黑暗的空間里與惰性物質(zhì)碰撞，這些物質(zhì)會因此發(fā)出微弱的光點(diǎn)。幾十年來，科學(xué)家根據(jù)這一原理建造了多臺探測器，但截至目前，還沒有一臺探測器給出了確定的結(jié)果。
2019年，中國科學(xué)家將在粒子和天體物理氙探測器（Particle and Astrophysical Xenon Detector，簡稱PandaX）的平臺上努力工作。這個(gè)暗物質(zhì)探測器位于地下約2400米的實(shí)驗(yàn)室中，全天24小時(shí)盯著二相型氙投影室，尋找閃光信號?？茖W(xué)家還在對該探測器進(jìn)行升級，以容納3.6噸的氙。據(jù)報(bào)道，升級工作有望在2019年到2020年完成，新的探測器將被稱為“PandaX-xt”。
面對競爭，美國南達(dá)科達(dá)州的研究人員也將完成LUX-ZEPLIN實(shí)驗(yàn)最重要的施工階段。該探測器預(yù)計(jì)可以容納9噸的氙。與PandaX-xt一樣，這一項(xiàng)目可能要到2020年才能完成。
意大利也將推進(jìn)XENON探測器的升級，使其達(dá)到7.2噸氙的規(guī)模。這次升級——稱為“XENON-nt”預(yù)計(jì)將在2019年完成。
下一階段
在上述實(shí)驗(yàn)中，無論哪一個(gè)都有可能發(fā)現(xiàn)決定性的證據(jù)，表明暗物質(zhì)粒子的真實(shí)存在。但是，在短期內(nèi)，幾乎所有領(lǐng)域的物理學(xué)家都在專注于利用過往的教訓(xùn)，為未來更大規(guī)模、更加有效的暗物質(zhì)搜尋提供信息。2019年會發(fā)現(xiàn)無可爭議的暗物質(zhì)證據(jù)嗎？這可能太過樂觀了，但追逐這一目標(biāo)的物理學(xué)家對新的一年充滿期待，他們將以比以往更高精度、更強(qiáng)大的探測器來進(jìn)行搜尋。
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