【原】需要成千上萬次的實驗,，才能找到蛛絲馬跡,，為什么暗物質(zhì)這么難找

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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宇宙有 85% 的物質(zhì)仍未知，我們不清楚這些物質(zhì)的成分,，因此稱之為暗物質(zhì),。我們能觀察到暗物質(zhì)在星團與其他天體上的重力，所以知道暗物質(zhì)的存在,。我們還無法直接觀察暗物質(zhì),，不過科學(xué)家論述表示，人類也許能用世上最強大的粒子對撞機創(chuàng)造出暗物質(zhì),。

這是一臺長27公里的大型強子對撞機或簡稱 LHC,，位于瑞士的日內(nèi)瓦。那么機器如何運作呢,？在LHC里,，兩個質(zhì)子束以反方向旋轉(zhuǎn)，隨后加速,，近似光速在第四個撞擊點質(zhì)子束相遇,，質(zhì)子互撞。質(zhì)子是由更小的夸克和膠子所組成,，在最普通的撞擊下兩個質(zhì)子穿越彼此沒有產(chǎn)生重大的結(jié)果,。

但每一百萬次里的一次撞擊，兩個質(zhì)子會強力沖撞釋放出絕大部分的沖撞能量,，產(chǎn)生上千個新粒子,。只有在這類撞擊中才會產(chǎn)生超大粒子，像是理論上的暗物質(zhì)撞擊點,，四周都是探測器,，內(nèi)部約有一億個傳感器，如同大型3D照相機,，探測器搜集新粒子的信息包括軌跡電荷與能量處理運算,，然后計算機便能描繪出撞擊的影像，每條線都是每個不同粒子的路徑,，還用顏色為不同型態(tài)的粒子編碼探測器所搜集的資料,，讓科學(xué)家能決定這些粒子是什么，像是光子和電子探測器每秒大約拍攝十億次,，這些碰撞的快照可以找出稀有大型粒子的跡象,。

難上加難的是我們想尋找的粒子可能并不穩(wěn)定,。在傳感器能覺察之前就會衰變?yōu)槲覀冚^熟知的粒子,。以「希格斯玻色子」為例,，長久來只存在理論上的粒子，直到 2012 年才被觀察到,。要讓特定撞擊產(chǎn)生希格斯玻色子的機率約是百億分之一,，只存在須臾一秒就衰變了。不過科學(xué)家發(fā)展出理論架構(gòu)讓人知道該尋找甚么,，科學(xué)家原本認為希格斯玻色子會衰變成兩個光子,，因此他們起初只檢視包含雙光子的高能量事件。

然而有個問題存在,，無數(shù)個粒子互動會隨機產(chǎn)生兩個光子,，所以該如何將希格斯玻色子與其他物質(zhì)分離？答案是質(zhì)量探測器搜集的信息,，能讓科學(xué)家退一步審思判定產(chǎn)生兩個光子的那東西的質(zhì)量,。科學(xué)家將質(zhì)量值轉(zhuǎn)成圖表,，然后在所有產(chǎn)生雙光子的事件重復(fù)相同步驟,。絕大多數(shù)的事件僅是觀察隨機產(chǎn)生的光子，即科學(xué)家口中的背景事件,。

但當一個希格斯玻色子產(chǎn)生并衰變?yōu)閮蓚€光子時產(chǎn)生的質(zhì)量永遠一樣,。因此希格斯玻色子的特征就是出現(xiàn)在背景上方的微小光斑，至少需進行數(shù)十億次的觀察,，小光斑才會出現(xiàn),，且也只有當小光斑明顯比背景來得高，得出的結(jié)果才有意義,。在希格斯玻色子的案例中使用大強子對撞機的科學(xué)家宣布突破性的結(jié)果,，即只有三百萬分之一的機會才能僥幸得出小光斑出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。

回到暗物質(zhì),，若大型強子對撞機的質(zhì)子束有足夠的能量產(chǎn)生暗物質(zhì),，可能會比希格斯玻色子的出現(xiàn)更為罕見，所以需要千兆次的撞擊并配合理論架構(gòu)才能開始尋找,。這也是大強子對撞機目前正在進行的計劃,，藉由龐大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，我們希望能在圖表中找出更多微小光斑,，期待能為仍未知的粒子如暗物質(zhì)佐證,。也有可能我們找到的不是暗物質(zhì)而是其他物質(zhì)，這能夠完全改變?nèi)祟悓τ钪孢\作的認知,，那也是目前為止部分的研究樂趣,，到底會找到甚么，我們?nèi)砸粺o所悉,。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. 觀漢居士- Szu-Wen Kung- Helen Chang

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翻譯：Szu-Wen Kung

審核：Helen Chang/天文志愿文章組-觀漢居士

排版：零度星系

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞