北京時(shí)間4月9日消息，當(dāng)世界上最大的粒子加速器正忙于尋找希格斯玻色子的時(shí)候，物理學(xué)家們已經(jīng)在深地底建造起了巨大的實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)然，這不是什么驚天陰謀，科學(xué)家的目標(biāo)是尋找宇宙中那些蹤跡最為隱蔽的粒子。
這些實(shí)驗(yàn)室建在地表以下1英里(約1.6公里)的地方，厚厚的巖石層中或許隱藏著某種新作用力的證據(jù)，另一方面也可以保護(hù)精密的實(shí)驗(yàn)免遭宇宙射線(xiàn)和其他高能粒子的干擾，從而使一些極其罕見(jiàn)的粒子現(xiàn)出原形。以下介紹的，便是幾種很可能在地下實(shí)驗(yàn)室被發(fā)現(xiàn)的粒子。
非粒子(unparticle)
物理學(xué)家們正在地幔中尋找一種新的基本作用力。非粒子沒(méi)有固定的質(zhì)量，其性質(zhì)有些與無(wú)質(zhì)量的光子相同，有些則與有質(zhì)量的粒子一致。非粒子可能是粒子間長(zhǎng)程自旋相互作用的原因，這是一種新形式的長(zhǎng)程作用力，可以使原子中的電子在長(zhǎng)距離自旋過(guò)程中對(duì)齊。
為了尋找這種新的作用力，研究者們繪制出了地幔中的電子密度和自旋特征，研究這些地下電子如何影響實(shí)驗(yàn)室中的中子和電子自旋?？茖W(xué)家設(shè)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其之間的距離為3000英里(約4828公里)。如果地幔中的電子對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的粒子產(chǎn)生了作用，那后者的自旋頻率就會(huì)改變。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這種新的作用力就可以與重力、電磁作用以及強(qiáng)、弱核力一起講述宇宙的行為方式。
暗物質(zhì)粒子
宇宙中充滿(mǎn)了稱(chēng)為“暗物質(zhì)”的隱形物質(zhì)，它們的引力被認(rèn)為是保持各個(gè)星系不致分崩離析的原因。最新的理論提出，暗物質(zhì)由弱相互作用大質(zhì)量粒子(縮寫(xiě)為WIMPs)組成，這種粒子極少與普通的粒子發(fā)生相互作用。
有些實(shí)驗(yàn)室，包括美國(guó)南達(dá)科他州霍姆斯特克的大型地下氙氣探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，依靠地殼保護(hù)實(shí)驗(yàn)免遭宇宙射線(xiàn)的干擾，因而有望探測(cè)出WIMPs與普通原子極為罕見(jiàn)的相互作用。目前，WIMPs的蹤跡還極其稀少，但有數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行之中，未來(lái)幾年之內(nèi)或許我們就能得到WIMPs存在的證據(jù)。
太陽(yáng)中微子(solar neutrinos)
來(lái)自格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家探測(cè)到了處于變化類(lèi)型中的太陽(yáng)中微子，該實(shí)驗(yàn)室位于意大利一座山下約1英里的地下。太陽(yáng)的核反應(yīng)產(chǎn)生了這些不帶電的粒子，最新的理論指出，中微子在傳播到地球的過(guò)程中會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換，即中微子振蕩。正是由于中微子振蕩的存在，使早期科學(xué)家測(cè)量太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子的流量時(shí)，發(fā)現(xiàn)大約只有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型計(jì)算結(jié)果的三分之一。
太陽(yáng)中微子很少與地球物質(zhì)發(fā)生作用。從歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室(CERN)發(fā)射的中微子束，經(jīng)過(guò)731公里到達(dá)意大利的格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)家們成功捕獲了處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)的中微子。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了中微子振蕩現(xiàn)象。
反中微子(geoneutrinos)
中微子來(lái)自太陽(yáng)，但地幔之中的放射性元素也會(huì)產(chǎn)生“反中微子”。格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分離了一些這樣的反中微子，它們是由鈾、釷的放射性衰變形成的。這種新粒子或許可以解釋地球內(nèi)部熱量的積聚，以及這些熱量驅(qū)使板塊構(gòu)造移動(dòng)的過(guò)程。為了捕獲這些從地幔中發(fā)出的反中微子，研究人員使用了一個(gè)包含有油基液體的探測(cè)器，當(dāng)亞原子粒子撞到這種液體時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。反中微子會(huì)發(fā)射出一個(gè)正電子和一個(gè)中子，當(dāng)這兩個(gè)粒子撞到液體中的原子時(shí)，會(huì)發(fā)出一種特殊的閃光。研究人員據(jù)此確定了反中微子的存在。
核子衰變(Nucleon decay)
雖然很多亞原子粒子都會(huì)衰變成其他粒子，但科學(xué)家至今還未發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的衰變現(xiàn)象。這兩種粒子組成了原子的原子核。在標(biāo)準(zhǔn)模型中重子數(shù)是守恒的，而大統(tǒng)一理論卻預(yù)言了質(zhì)子衰變。為了尋找這種罕見(jiàn)衰變的證據(jù)，超級(jí)神岡探測(cè)器(Super-Kamiokande)的科學(xué)家已經(jīng)耗費(fèi)了多年時(shí)間。該探測(cè)器位于日本神岡礦山一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中。在神岡探測(cè)器在水中探測(cè)切連科夫輻射的實(shí)驗(yàn)中，研究者指出如果質(zhì)子完全衰變，半衰期至少長(zhǎng)達(dá)10^34年。到目前為止，科學(xué)家還沒(méi)得到一個(gè)有關(guān)質(zhì)子衰變的確實(shí)證據(jù)。