调整螺丝:撒旦来了

一直沉睡在欧洲第二深矿里的宰普林三号（ZEPLIN III）将于这个月重新开始工作，继续搜寻被人们称作暗物质的神秘家伙。詹姆斯×达西（James Dacey）就此采访了爱丁堡大学负责该资助计划的亚历克斯×墨菲（Alex Murphy）。墨菲（Murphy）相信，经过重大改进后的宰普林三号为探测暗物质创造了前所未有的良机。

暗物质是什么？物理学界为何需要它？

不如让我们先从简单的问题谈起，怎么样？那么好，首先，当我们仰望星空和银河系，并且试图把我们在小小的地球、甚至太阳系里都屡试不爽的万有引力定律套用上去的时候，会发现这个定律失效了。因为要想让万有引力定律适用于银河系甚至更大尺寸的物体，那里就必须存在比现已观测到的更多的物质。由于这种物质的质量必然非常巨大，而我们又无法看到它，所以我们称其为 暗物质。

在未来的数月内，我们将迎来发现暗物质的大好时机

可是，有确实证据显示暗物质的存在了吗？

是的，观测方法虽然不同，但都是殊途同归。比方说，在银河系周围的恒星公转的转速，以及从遥远恒星射来的星光，它们都受到了某种东西的干扰。

那么在你眼里，暗物质是以什么面目存在的?

答案可能来源于粒子物理。学界正逐渐达成共识，认为暗物质可能是“超对称性”理论体系所预言的东西 。这个理论认为，对应于我们已知的每一种粒子类型，都应该存在一种质量更大的粒子，这就是超对称性。这些大质量粒子的产生方式应该和普通物质的是完全相同的，即都是产生于宇宙大爆炸的那一刻，而且其中质量最小的那些物质至今还在宇宙空间里到处漂浮——这就是我们所说的暗物质。

我们为何看不到它？

这是因为暗物质根本不与光产生相互作用，而且也几乎不和其他任何物质发生相互作用。这就是为什么暗物质的理想候选者被人们称作“弱相互作用大质量粒子”，简写为WIMP。

那么宰普林就是用来探测WIMP的吗？

是的。天文学研究显示，我们的银河系就位于一片暗物质的中央。这并不奇怪，由于暗物质的质量比正常物质的质量高出大约十倍，因此正是暗物质的分布情况决定了星系的形成位置。暗物质粒子几乎不和任何物质发生相互作用，它们可以轻松地穿透地球物质，不过由于暗物质的数量太庞大了，只要有一个极其灵敏的探测器被安置在丝毫不受干扰的地方，就能捕捉到一些暗物质的来袭。

那么你们这机器到底是怎样工作的呢？

其实，宰普林探测器就是一桶液体，里面藏有非常敏锐的探测器。不过这种液体是氙，一种稀有气体元素，就像氦气或氩气。氙有种优良的特性，如果某个粒子穿越氙，氙原子就会发生散射。假设这个粒子正是我们所期待的偶然穿过的WIMP，那么氙里面将会产生一个微弱的闪光。

我们也期望这种来袭事件会击碎一部分氙原子，使得氙原子中的一些电子被分裂出去。我们在液体里加了接近20,000 伏的电压，这个电压可以迫使那些被释放出来的电子定向移动，并在一层气态氙中产生二次闪光。综合第一次闪光和随后产生的电子释放的信号，我们就可以知道探测器那里一定发生了什么。

我们很注重保持各个部分的清洁度和纯净度，这样才能最大限度地获取清晰的信号

为何宰普林被安设在一个地下深层盐矿里面？

哦，那是因为宇宙射线。一个对WIMP极其敏感的探测器也会不可避免地对其他很多东西保持敏感。我们现在坐在一间咖啡厅里，却无时无刻不受到来自外太空的宇宙射线的轰击。这些射线可能来自太阳，来自超新星，有一些甚至会来自非常遥远的银河系中心部位。宇宙射线会造成诸如极光等现象，但同时也给我们带来麻烦。宇宙射线 是一些飞速移动的电子、μ介子等粒子，这些粒子可以穿透许多物质，而且很难被屏蔽。然而在地下深层，比如矿井里，可以帮助我们阻挡99.9999%的宇宙射线，这足以避免宇宙射线引起的干扰问题。

那么你确定你看到的真是暗物质，而不是其他的什么背景噪声吗？

就算是深藏在矿井里面，探测器仍然会受到各种天然辐射，这些辐射来自地下岩层本身、来自探测器元器件、来自人类，实际上所有物体或多或少都带有辐射。我们将宰普林装入一个由辐射水平极低的塑料和铅构成的壳内，探测器本身也是由极其清洁的物质组成的，即使这样探测器周围仍有一些飞行物质。这些物质绝大多数是伽马射线（gamma rays）。

升级后的宰普林是怎样成为世界上最好的探测器的？

我们一直都注重保持每一个部分的清洁和纯净，以便尽可能地获取到清晰的信号。我想我们在这方面做得非常不错。我们现在采用的是更先进的光电倍增管，这种装置是用来收集光子的，和我们以前用过的倍增管相比，新的光电倍增管具有更低的自发辐射。

此外，我们还在宰普林的外围建造了一个全新的附加探测器。这么做的初衷是，假如这个新的探测器和宰普林探测器同时捕捉到了信号，那么这个信号就不会是WIMP产生 的。因为WIMP被捕捉到的几率太小了，由此造成的散射无论如何都不可能在两个探测器同时发生。如果同时发生散射，可能是周围的中子造成的。因此，这个额外的探测器可以保证我们观测的准确性。

你一定也很期待开展新一轮的观测，那么时间表是怎么安排的？

未来的数月，将是我们发现暗物质的大好时机！当今英国物理学界，再没有什么事件能比这次观测更符合时宜、更让人兴奋的了……

我们九月份完成了对探测器的校准，我们希望能在十二月份甚至提早到十一月份就启动这项观测。这项观测计划的实施时间预计将是一年，人们只有在实验结束后才能获准查看探测到的数据。我们制定这种“盲测”的目的，是为了最大程度地降低人为干扰。历史经验告诉我们，人们为了获得期望的结果会不自觉地去做某些更改，因此这是防止此类事情发生的一种标准方法。

你将怎样处理与其他搜寻暗物质的同行的竞争关系？你们是采取国际合作的方式，还是秘密进行？

我们的许多同行彼此都是好朋友，但这的确是一场竞赛……我的意思是……一项大奖……不是吗？

嗯， 我想现行的模式最好不过了。我是说目前全世界有三个这方面的研究机构，每个机构都有自身的局限性。这三个机构分别是美国的低温暗物质搜寻计划 （Cryogenic Dark Matter Search），意大利的氙100小组（Xenon100 team），还有我们。所有这些机构在目前这个阶段的局限性都是类似的。我们之间的交流不多，因为所有的东西都需严格保密。我们无时无刻不在思考怎样巧妙地调整各种设备，而这些通常都是高度机密。

这么说，现在的竞争氛围已经很浓厚了？

我们并不想用钚针刺我们的竞争对手，从而干掉他们！我们的许多同行彼此都是好朋友，但这的确是一场竞赛……我的意思是……一项大奖……不是吗？不过我认为，争取经费的过程中存在的竞争和困难反而能促进科学更快地进步。

你是否认同更加开放的合作态度会利于某些科学领域取得进步？

我们的确可以改进数据的共享方式。每个研究机构都倾向于按自己的风格来展示实验结果，这就使得数据比对变得困难重重。

你能跟我简单说说你在这项工作中的独特作用吗？

我是爱丁堡资助计划宰普林三号项目的负责人。这意味着，我每天差不多95%的时间都要坐在电脑前，或是更新电子数据表，或是申请经费——而这是我最不愿意做的事情了，每次都是在最后一分钟才匆忙交差。

那么最让你陶醉的事情是什么？

哦，那应该是千变万化的——我每天做事的方式都不同。我最开心的时候，就是和博士生们在一起，指导他们做课题。而且，我还做了许多科普活动。我在莫斯科设立了一个科技咖啡聊天会（就是在咖啡馆和酒吧等非正式场合里谈论科学），那段经历还真是让人印象深刻。我还在一些学校里做活动，希望借此激发年轻人对科学的热诚，让他们知道科学不是不可思议的魔术，而是他们能够理解掌握并为之做出贡献的事业。我在爱丁堡也做了大量的演讲。

你觉得公众能够理解像暗能量这种艰深的话题吗？

只要采取适当的方式，我想他们是能够理解的。最大的问题不在思想的传播，而在于怎样才不会限制听众想象力的空间。你只需开个头就行了，听众是足够聪明的，他们会自己开始思索整件事情的原委。试图解答其中的某些问题可不是一个小时的演讲所能解决的，那需要一生的时间来探讨！

宰普林三号探测器项目是一项由爱丁堡大学（University of Edinburgh）、伦敦帝国理工学院（Imperial College London）、卢瑟福-阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory），以及来自葡萄牙和俄罗斯的国际合作者联合参与的计划。想要深入了解这一计划，详情请见ZEPLIN III homepage

关于作者

詹姆斯-达西（James Dacey），《物理学世界（Physics World）》的记者