人們所看到的宇宙實(shí)際上只是宇宙物質(zhì)中很小的一部分，宇宙中的星體占宇宙物質(zhì)的百分之一，宇宙中所有的氣體云及其它可見物質(zhì)約占百分之五。絕大部分宇宙物質(zhì)不發(fā)光，看不見摸不著，屬未知物質(zhì)，即所謂的“暗物質(zhì)”，它們以一種我們目前完全不知的表現(xiàn)形式存在。自20世紀(jì)30年代人類首次懷疑“暗物質(zhì)”存在以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家一直都在不斷進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，希望能搶先發(fā)現(xiàn)“黑暗物質(zhì)”的真面目，解開宇宙中最大的謎團(tuán)。弱相互作用大質(zhì)量粒子的探測(cè)是揭開暗物質(zhì)和宇宙本質(zhì)的關(guān)鍵，在此領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)賽十分激烈，誰(shuí)先發(fā)現(xiàn)這種粒子，極有可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

英國(guó)粒子物理和天文學(xué)研究理事會(huì)投資3100萬(wàn)英鎊，改進(jìn)英國(guó)北約克郡(North Yorkshire)海岸博爾比(Boulby)地下1100米深處鹽鉀堿礦中的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。這個(gè)世界一流的英國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心于2003年4月28日正式啟動(dòng)，主要致力于探測(cè)弱相互作用大質(zhì)量粒子，希望能解開宇宙大部分物質(zhì)的丟失之迷。

英國(guó)暗物質(zhì)中心實(shí)驗(yàn)室外景

英國(guó)粒子物理和天文學(xué)研究理事會(huì)理事長(zhǎng)Ian Halliday教授評(píng)論這一新的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和研究計(jì)劃時(shí)說(shuō)：“這是一座杰出的研究設(shè)施，備有一些世界上靈敏度最高的暗物質(zhì)探測(cè)器，為英國(guó)的研究領(lǐng)域增加了一項(xiàng)關(guān)鍵的資源。英國(guó)的科學(xué)家在全球物理學(xué)家爭(zhēng)先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的競(jìng)賽中扮演著重要角色，如果能贏得這場(chǎng)比賽，對(duì)英國(guó)科學(xué)來(lái)說(shuō)，將會(huì)一鳴驚人。”

雖然每秒有幾十萬(wàn)億的弱相互作用大質(zhì)量粒子可能正在通過我們，但它們很難與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此極難探測(cè)到。偶爾它們撞到其它原子核時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，博爾比的實(shí)驗(yàn)就是探測(cè)這些稀有對(duì)撞的。

博爾比礦中的暗物質(zhì)探測(cè)設(shè)備

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)教授Neil Spooner把探測(cè)難以捉摸的弱相互作用大質(zhì)量粒子比作用看不見的彈子棒玩臺(tái)球。他說(shuō)：“實(shí)際上，你看不見弱相互作用大質(zhì)量粒子或彈子棒本身，但能看到臺(tái)球撞擊后彈回。如果尋找成功，就會(huì)載入史冊(cè)，因?yàn)檫@是當(dāng)代最偉大的發(fā)現(xiàn)之一?！彼蛠?lái)自盧瑟福實(shí)驗(yàn)室、帝國(guó)學(xué)院和愛丁堡大學(xué)的同事們?cè)谟?guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心使用了三種不同類型的探測(cè)器：NAIAD閃爍探測(cè)器、DRIFT電離探測(cè)器和采用閃爍和電離兩種方法的ZEPLIN探測(cè)器。

弱相互作用大質(zhì)量粒子與它們通過的物質(zhì)發(fā)生相互作用的機(jī)會(huì)極少，在一公斤的實(shí)驗(yàn)樣品中，每天只有不到一個(gè)弱相互作用大質(zhì)量粒子擊中原子的原子核，引起原子核的輕微反沖，這正是探測(cè)它們存在的關(guān)鍵。博爾比實(shí)驗(yàn)要探測(cè)這一反沖，并將其記錄下來(lái)。

原子釋放出來(lái)的反沖能量至少可用三種探測(cè)器中的一種探測(cè)到，不是溫度略有升高（以聲子為基礎(chǔ)的探測(cè)），就是釋放出小的電荷（電離），要不就是釋放出光子（閃爍）。一個(gè)以上這樣的效應(yīng)均有可能發(fā)生。

盡管反沖極少，但探測(cè)器同時(shí)可能會(huì)收集到許多其它反應(yīng)，如宇宙線碰撞物質(zhì)或自然界的輻射。重要的是要盡量將反沖產(chǎn)生的小信號(hào)中的背景噪音屏蔽掉。鹽礦有很低的自然放射性，它能吸收來(lái)自宇宙的多數(shù)粒子。這就是為什么實(shí)驗(yàn)要放在1100米的地下進(jìn)行的原因。同時(shí)，將探測(cè)器嵌入鉛或銅殼內(nèi)，更好地保護(hù)了探測(cè)器，能使輻射降低100萬(wàn)倍，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2公斤重的探測(cè)晶體

碘化鈉膜片組成的陣列探測(cè)器（NAIAD），能探測(cè)到核反沖時(shí)產(chǎn)生的閃爍信號(hào)。由于中子和原子核在碘化鈉中相互作用的結(jié)果與弱相互作用大質(zhì)量粒子和原子核的相互作用的預(yù)期結(jié)果非常相似，被用來(lái)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，使科學(xué)家們能將來(lái)自其它信號(hào)源的可能的弱相互作用大質(zhì)量粒子識(shí)別出來(lái)。通過測(cè)量閃爍光的衰變時(shí)間，可從數(shù)據(jù)中將電子反沖排除。閃爍光的衰變時(shí)間比由中子或弱相互作用大質(zhì)量粒子引起的衰變時(shí)間慢百分之三十。

探測(cè)器罐頂部

探測(cè)器罐內(nèi)

探測(cè)器

液態(tài)氙正比閃爍探測(cè)器（ZEPLIN-I），利用弱相互作用大質(zhì)量粒子擊中液態(tài)氙的原子核時(shí)所發(fā)出的閃光來(lái)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的痕跡。它用鉛屏蔽排除由自然放射性和殘存的宇宙線粒子產(chǎn)生的多數(shù)背景脈沖，并像碘化鈉探測(cè)器那樣，利用核反沖及光子/電子散射的閃爍脈沖對(duì)時(shí)間不同的依賴性，鑒別逃過屏蔽和反符合的背景。

電離探測(cè)器（DRIFT）不僅可用來(lái)探測(cè)弱相互作用大質(zhì)量粒子，而且還用來(lái)判定這些粒子運(yùn)動(dòng)的方向。地球通過銀河系時(shí)，是從其運(yùn)動(dòng)的方向被來(lái)自宇宙的穩(wěn)定的弱相互作用大質(zhì)量粒子流擊中的，因此每天應(yīng)根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)方向?qū)邮招盘?hào)的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。（高能所科研處 侯儒成編譯）