2024腾讯科学WE大会|刘江来:了解暗物质,或许未来才能在宇宙中做“天气预报”

  11月3日,2024腾讯科学WE大会在成都科幻馆开幕。

本次大会以“科技树·转折点”为主题,汇聚了中国国家最高科学奖得主、诺贝尔奖得主等国内外顶尖科学家。

  本次大会上,知名科学家刘江来教授分享了他对暗物质、引力透镜效应、WIMPs理论、中微子的探索和思考,并接受媒体采访。

据悉,刘江来教授长期致力于粒子、原子核与天体物理交叉领域研究,负责PandaX暗物质实验项目。

他组织百人科研团队在锦屏地下实验室进行暗物质探测实验,是我国暗物质实验研究先锋。

其团队成功研制的三代国际先进液氙探测器,取得国际领先的测量成果。

  研究暗物质有用吗?

  或许未来人类会步入更深远的宇宙,了解暗物质才能做“天气预报”

  1933年,天文学家弗里茨·兹威基在研究星系团时,率先推算出其内部有看不见的物质,也就是如今所说的暗物质。

观测和计算表明,宇宙的95%是看不见的暗物质和暗能量。

但暗物质究竟是什么?这一谜题困扰着一代代科学家。

  近百年后,刘江来与其团队克服重重困难,在世界最深的地下实验室——位于四川省凉山州的锦屏地下实验室,探寻暗物质这种宇宙中的“神秘幽灵”。

  刘江来告诉红星新闻记者,他对暗物质的兴趣,或许源于基因、或许源于后天,或许两者都有。

他介绍,暗物质在空间中无处不在,每一秒钟都在穿越我们的身体,但是我们浑然不觉,地球、太阳系也都浑然不觉,但暗物质主导了宇宙的形成和演化。

  暗物质看不见、摸不着,探索它有什么用?刘江来表示,这个问题他没有办法回答,他借用了《三体》中的一句话表示,即“弱小不是生存的障碍,傲慢才是”。

翻译成科学家的语境,即“对于宇宙我们要保持谦虚,不断地探索和理解”。

  刘江来说,工业革命给了人类好的生活,但不能因此就停止探索。

人类如今可以走出地球研究太阳系,或许有一天人类的足迹会步入银河系和更深远的宇宙,或许到时候我们得知暗物质的分布,才能做“天气预报”,这是十分发散性的问题。

“理解暗物质的意义,或许要到那个时候,您(未来的人)来告诉我。

  如何寻找暗物质

  在地下2400米探索宇宙

  刘江来介绍,探测暗物质有三种方法。

第一种是在宇宙空间中,寻找一个暗物质密度比较大的地方,暗物质粒子和粒子之间产生碰撞,其可能会催生出来一些我们已知的、能够探测到的粒子,例如我国的悟空号卫星,就是把探测器放到太空中寻找暗物质存在的证据;第二种方法是,把一个非常灵敏的探测器送到一个非常安静的环境中间,等待暗物质粒子到达探测器,和原子产生碰撞以后,捕捉原子反冲信号,这叫作直接探测;第三种是对撞机探测,在对撞机中让高能粒子束对撞,直接产生暗物质粒子。

  刘江来与其团队使用的锦屏地下实验室,就属于直接探测。

该实验室垂直岩石覆盖达2400米,是国际上岩石覆盖最深的地下实验室。

在这里,刘江来与其团队将惰性元素“氙”冷却到零下100度并做成探测器,来捕捉暗物质的碰撞。

(注:氙是一种稀有气体,在零下100度的状态下,会液化为一种无色透明的液体。

  过去15年,刘江来与其团队一共建设了三代探测器,从120公斤到580公斤再到如今的4吨级探测器,下一步是开展20吨级液氙探测器的升级,这将成为国际上体量最大、灵敏度最高的液氙实验。

这十几年的努力,让我国暗物质研究从无到有,并逐步走向国际前沿。

  刘江来介绍,液氙暗物质探测器兴起于2004年左右,在过去近20年的过程中,一直在高速发展,探测灵敏度快速提升。

液氙暗物质探测器的特点是:首先,氙能够比较容易地扩容,探测器最后灵敏度是跟探测体量成正比的;其次,它对于每一个碰撞事例的能量和位置,都能做4D照相;此外,液氙探测器对碰撞事例到底是怎样的事例能做一些甄别,判定它是不是本底,是不是信号。

从互补性来说,其他的实验也都各有独特优势,所以需要在不同的方向进行探索。

  100多年前,人类探测到了电磁波,彼时从未有人想到它会与我们的生活如此紧密。

如今,我们每每使用手机、微波炉、CT照相等,都离不开电磁波。

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