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，各國科學(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)量粒子的探測是揭開暗物質(zhì)和宇宙本質(zhì)的關(guān)鍵，在此領(lǐng)域的國際競賽十分激烈，誰先發(fā)現(xiàn)這種粒子，極有可能獲得諾貝爾獎。

英國粒子物理和天文學(xué)研究理事會投資3100萬英鎊，改進(jìn)英國北約克郡(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)世界一流的英國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心于2003年4月28日正式啟動，主要致力于探測弱相互作用大質(zhì)量粒子，希望能解開宇宙大部分物質(zhì)的丟失之迷。

英國暗物質(zhì)中心實(shí)驗(yàn)室外景

英國粒子物理和天文學(xué)研究理事會理事長Ian Halliday教授評論這一新的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和研究計(jì)劃時(shí)說：“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)探測器，為英國的研究領(lǐng)域增加了一項(xiàng)關(guān)鍵的資源。英國的科學(xué)家在全球物理學(xué)家爭先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的競賽中扮演著重要角色，如果能贏得這場比賽，對英國科學(xué)來說，將會一鳴驚人?！?/SPAN>

雖然每秒有幾十萬億的弱相互作用大質(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，因此極難探測到。偶爾它們撞到其它原子核時(shí)，會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，博爾比的實(shí)驗(yàn)就是探測這些稀有對撞的。

博爾比礦中的暗物質(zhì)探測設(shè)備

英國謝菲爾德大學(xué)教授Neil Spooner把探測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球。他說：“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，但能看到臺球撞擊后彈回。如果尋找成功，就會載入史冊，因?yàn)檫@是當(dāng)代最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。”他和來自盧瑟福實(shí)驗(yàn)室、帝國學(xué)院和愛丁堡大學(xué)的同事們在英國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心使用了三種不同類型的探測器：NAIAD閃爍探測器、DRIFT電離探測器和采用閃爍和電離兩種方法的ZEPLIN探測器。

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，這正是探測它們存在的關(guān)鍵。博爾比實(shí)驗(yàn)要探測這一反沖，并將其記錄下來。

原子釋放出來的反沖能量至少可用三種探測器中的一種探測到，不是溫度略有升高（以聲子為基礎(chǔ)的探測），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，但探測器同時(shí)可能會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)，將探測器嵌入鉛或銅殼內(nèi)，更好地保護(hù)了探測器，能使輻射降低100萬倍，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2公斤重的探測晶體

碘化鈉膜片組成的陣列探測器（NAIAD），能探測到核反沖時(shí)產(chǎn)生的閃爍信號。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，被用來標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，使科學(xué)家們能將來自其它信號源的可能的弱相互作用大質(zhì)量粒子識別出來。通過測量閃爍光的衰變時(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。

探測器罐頂部

探測器罐內(nèi)

探測器

液態(tài)氙正比閃爍探測器（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，并像碘化鈉探測器那樣，利用核反沖及光子/電子散射的閃爍脈沖對時(shí)間不同的依賴性，鑒別逃過屏蔽和反符合的背景。

電離探測器（DRIFT）不僅可用來探測弱相互作用大質(zhì)量粒子，而且還用來判定這些粒子運(yùn)動的方向。地球通過銀河系時(shí)，是從其運(yùn)動的方向被來自宇宙的穩(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)邮招盘柕姆较蜻M(jìn)行調(diào)節(jié)。（高能所科研處 侯儒成編譯）