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光之系列三:你,只係宇宙微不足道嘅一粒塵!

2015/5/28 — 8:30

Paul Kline / flickr

Paul Kline / flickr

編按:作者在 27.1 增加了有關 XENON1T 的介紹

唔緊要,其實我都係。

而背後其實有物理根據:組成我們的物質單位(主要是質子、中子、電子)只佔宇宙裡面的總質量大約五分之一。其餘的五分之四,則被物理學家統稱為「暗物質 (dark matter) 」。

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  過癮的是,雖然暗物質是宇宙的主要成分之一,但我們只能透過它對周邊物質的引力拉扯,來推斷出它的存在。最早提出需要額外物質來解釋天體運動的,是瑞士裔天文學家 Fritz Zwicky。1930 年代時,他在觀察后髮座星系團 (Coma Cluster) ,發現望遠鏡內的各個星系運行得太快,它們之間的引力跟本不足以令對方留在星系團裡面。經過幾十年來累積類似的觀察,物理界現在普遍接受暗物質的存在。它甚至已成為星系形成理論裡面不可缺的一部分:正是因為太初有大量暗物質集合於一地,才會把普通物質牽引到一處,進而組成星系、恆星和行星(見下圖)。沒有暗物質,就沒有你和我在討論它。如過你想更深入了解暗物質存在的證據,請看延伸閱讀 [1]

圖 1 :銀河系 VS 暗物質示意圖(來源:ScienceBlogs)

圖 1 :銀河系 VS 暗物質示意圖(來源:ScienceBlogs)

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  現代觀察者會利用暗物質對背景星光影響,來推論出例如一個星系周圍到底有多少暗物質。你可能會覺得詫異:星光?沒有質量的光,難道會受引力吸引嗎?原來根據愛恩斯坦的廣義相對論,引「力」的效應,其實應該理解為質量扭曲身處的時空。大質量的星系 [1] 就像一塊透鏡,將背景星光折射。如果這個星系剛好跟背景星體和地球觀測者成一直線,那麼我們就會看到所謂的「愛恩斯坦環」(Einstein Ring)。

圖 2 :圖中間的 LRG 3-757 星系將背後藍色星系發出的光「拉」成環狀(來源:公有圖片)

圖 2 :圖中間的 LRG 3-757 星系將背後藍色星系發出的光「拉」成環狀(來源:公有圖片)

說了這麼多,到底暗物質是什麼東西呢!?自八十年代以來,最流行的一個答案就是 WIMPs 粒子 (Weakly Interacting Massive Particles) 。根據粒子物理的預測, WIMPs 的性質剛好可以解釋暗物質和可見物質的 5:1 比例,其質量也跟最輕的超對稱粒子 [2] (supersymmetric particles) 相符。因為這些的原因,三十年來物理學家一直竭盡所能尋找它們。筆者作為本科生的時候,也參加過一個叫做 DRIFT的實驗,其探測器埋在地深一公里的鹽礦洞,目的是偵測我們銀河系裡面的 WIMPs 。太陽系圍繞銀河系中心運動的時候,會感受到一股暗物質「風」 [3] ;情況就像人站在快速行駛的船上,會感受到迎面而來的空氣分子(風)。D RIFT 想探測到的,就是這股從某特定方向吹來的暗物質。

說了這麼多,到底暗物質是什麼東西呢!?自八十年代以來,最流行的答案就是 WIMPs 粒子(Weakly Interacting Massive Particles)。根據理論推算,WIMPs 的性質剛好可以解釋暗物質和可見物質的 5:1 比例。另外,它們質量跟最輕的超對稱粒子相仿;能夠找到 WIMPs,也就印證了超對稱 (supersymmetry) 這個讓物理學家著迷良久的想法。因為這些的原因,三十年來物理學家一直竭盡所能尋找 WIMPs。各個實驗的概念大同小異:太陽系圍繞銀河系中心運動的時候,會感受到一股暗物質「風」[1];情況就像人站在快速行駛的船上,會感受到迎面而來的空氣分子(風)。物理學家想探測的,就是這股從某特定方向「吹來」的暗物質。

左:三層樓高的液態氙罐。圖片來源:XENON1T 實驗官方網站

左:三層樓高的液態氙罐。圖片來源:XENON1T 實驗官方網站

根據科普刊物 Scientific American 報導,今年三月 XENON1T 實驗將會在意大利 Gran Sasso 國家實驗室啟動。探測器滿載時有 3.5 公噸的液態氙 (Xenon,粵音仙),比上一代的 XENON100 多 25 倍,與暗物質發生交互作用的機率也隨著提升。參與實驗的物理學家 Rafael Lang 表示,XENON1T 的敏感度足以測試最有把握的 WIMPs 模型。如果沒有探測到任何暗物質,那恐怕這種粒子當真不存在。

的確,在最近幾年,雖然粒子加速器達到前所未有的能量級,但 WIMPs 依然是不見踪影*,因此越來越多物理學家在考慮不同的可能性,其中一個受歡迎的叫 axions。Axions 可以跟強磁場進行交互作用,並衰變成一對的光子。每粒光子的能量 E,是一粒 axion 質能的一半,並與光子的頻率 f 成正比關係。因此,研究人員透過量度光子的頻率,就可以檢驗出對應質能的 axions 是否存在。在進行實驗例如有美國華盛頓大學主導的 ADMX;研究人員利用 8T 的磁場 **,希望能引誘 axions 在其中衰變。除了 axions 以外的可能性,在延伸閱讀[3] 有詳細提及。

(*以能量產生物質是相對論的效應 (E = mc2))
(**比地球的磁場大一萬倍有多)

如果你看到這裡,可能會覺得物理學家們為了解釋現象,而很 random 地發明了不同的粒子;眾論紛紛,而研究經費就以幾百萬計地浪費在似乎了無目的的追尋上。不過,暗物質的重要性,其實在於它解釋了——至少在物理層面上——銀河系以至人類為何存在 。對自身存在的好奇心,是人類的一大特色,而妨礙探索同類問題,實在是跟「我們作為人」的事實作對。而科學求知的方法在於透過可重覆的實驗,排除或支持不同的假設,最後得出一套沒有內部矛盾、又跟實驗現象相符的理論。

所以話,一日未解答到暗物質之謎,我哋物理 L 係唔會停止尋找答案嘅。


延伸閱讀:

  1. "Five Reasons We Think Dark Matter Exists", Ethan Siegel, Aug 20 2014. Ethan 本業是天體物理,活躍於科普,寫作生動之餘還緊貼科學事實。
  2. "Synopsis: Dark-Matter Wind Sways through the Seasons", Physics, Jan 3 2014
  3. "What could dark matter be?", Symmetry, Jan 12 2015. 美國費米國家實驗室和 SLAC 粒子加速器合作的科普雜誌,算是權威性吧?

原文刊於作者博客

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