原標(biāo)題：在地底尋覓“宇宙幽靈”——走近全球最深的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室

　　新華網(wǎng)成都9月23日電（記者李華梁）什么是暗物質(zhì)？

　　普通人對(duì)它的直觀認(rèn)識(shí)多來自科幻作品。在電影《變形金剛》中，機(jī)器人“禁閉”所駕駛的飛船就是由它驅(qū)動(dòng)進(jìn)行星際航行的。

　　在剛剛斬獲世界科幻文壇最高獎(jiǎng)的小說《三體》里，它是太陽系遭受高級(jí)外星文明攻擊后的隱形殘骸。

　　這些奇幻創(chuàng)作的科學(xué)依據(jù)就來自人類久尋不得的“暗物質(zhì)”。全球最深的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室——中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，地處四川南部地底深處，在那里，一批中國(guó)科學(xué)家正尋找目前還是理論存在的暗物質(zhì)，希望覓得被科學(xué)界稱為“宇宙幽靈”的蛛絲馬跡。

　　全國(guó)科普日到來之際，新華社記者來到錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，帶你了解中國(guó)的暗物質(zhì)研究。

　　這是錦屏山隧道。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室便在這隧道中部，上方是巍巍錦屏山（2014年12月24日攝）。 新華社記者 沈伯韓 攝

　　科學(xué)家：暗物質(zhì)份額遠(yuǎn)超人類可看到的物質(zhì)

　　如果把21世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)比作“晴朗天空”，暗物質(zhì)和暗能量則被看作“兩朵烏云”，兩者難以用現(xiàn)有理論解釋。

　　這不是物理學(xué)“天空”第一次出現(xiàn)“烏云”。

　　19世紀(jì)末，以牛頓經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)大廈被認(rèn)為“已經(jīng)建成”，僅需“修修補(bǔ)補(bǔ)”。但有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)不相符的問題：黑體輻射和以太漂移，這“兩朵烏云”漂浮于當(dāng)時(shí)的物理學(xué)“天空”中。

　　正是這“兩朵烏云”，催生了物理學(xué)在20世紀(jì)初期的兩場(chǎng)革命：相對(duì)論和量子力學(xué)，兩者極大改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

　　舊云方散，新“云”又來。存在于物理學(xué)天空的“新烏云”至今仍橫亙?cè)谘芯康摹疤炜铡薄Ｊ嗄昵埃绹?guó)國(guó)家研究理事會(huì)將“什么是暗物質(zhì)”列為21世紀(jì)與宇宙相關(guān)的重大前沿科學(xué)問題之首。

　　“暗物質(zhì)這么被大家‘惦記’，因?yàn)樗婕坝钪娈a(chǎn)生和演化的一些最基本問題。”上海交通大學(xué)物理與天文系特別研究員劉江來說。

　　據(jù)悉，科學(xué)家曾嘗試用力學(xué)和光度兩種不同的方法測(cè)量整個(gè)宇宙的質(zhì)量。令人驚訝的是，兩者結(jié)果差異巨大。就好像分別用度量準(zhǔn)確的桿秤和電子秤稱量同一個(gè)蘋果，結(jié)果卻出現(xiàn)了數(shù)量級(jí)差異。換句話說，在現(xiàn)有的理論框架下，如果僅有肉眼可見的物質(zhì)，是無法維持宇宙運(yùn)行的。進(jìn)一步說，如果沒有暗物質(zhì)，星系早已分崩離析，四散奔逃。

　　中國(guó)“千人計(jì)劃”專家、上海交通大學(xué)鴻文講席教授季向東將暗物質(zhì)比喻成宇宙中的“幽靈”。他說，迄今的研究和分析表明，暗物質(zhì)在宇宙中所占的份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前人類可以看到的物質(zhì)。“我們通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5％。”

　　但這個(gè)超出普通人認(rèn)知的物質(zhì)真的存在？或者能被探測(cè)？

　　季向東說：“暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)幾乎不相互作用，所以探測(cè)它十分困難。”

　　而在劉江來看來，雖然尋找暗物質(zhì)注定十分艱難，但不論找不找得到，都將顛覆人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)人類對(duì)物質(zhì)世界的理解。因?yàn)槿绻也坏剑阋馕吨祟愱P(guān)于引力的理解在很大程度上是有問題的，物理學(xué)和天文學(xué)理論就必須進(jìn)行大的修正。

　　“從這個(gè)角度來說，對(duì)這片‘烏云’的認(rèn)識(shí)，乃至捕捉，難道不可以幻化出21世紀(jì)物理學(xué)的‘雨后彩虹’？”他說。

　　在黑暗的地底探尋星空的奧妙

　　在搜尋暗物質(zhì)的道路上，目前主要有3種方法：一是利用粒子對(duì)撞產(chǎn)生暗物質(zhì)觀察其衰變的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)，主力設(shè)備是歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。二是基于暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生反物質(zhì)的原理在太空進(jìn)行的湮滅實(shí)驗(yàn)。三是測(cè)量暗物質(zhì)散射至液體或固體的散射實(shí)驗(yàn)。目前中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組均屬第三類。

　　存在于宇宙中的暗物質(zhì)，為何要到地下探測(cè)？

　　劉江來把暗物質(zhì)比作宇宙中的“霧霾”，地球則是在“霧霾”中行駛的汽車，“霧霾”中的顆粒撞擊汽車就會(huì)發(fā)出“響聲”，實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的任務(wù)就是把這種“響聲”記錄下來。

　　探測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要困難就是宇宙線以及地球上無處不在的放射性，要盡最大可能排除其對(duì)實(shí)驗(yàn)本底的干擾。用劉江來的話說，就是“去掉‘汽車和周邊環(huán)境產(chǎn)生的各種聲音’”。

　　暗物質(zhì)的“聲音”有多小？“就好像聽眾坐在第一排聽音樂會(huì)，還要聽清30米外一只蚊子的嗡嗡聲。”劉江來比喻說。

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室對(duì)“濾聲”而言，條件得天獨(dú)厚。實(shí)驗(yàn)室深度為全球同類實(shí)驗(yàn)室中最深，上方2．4公里厚的巖石層可攔截大部分穿透力極強(qiáng)的宇宙射線，使其數(shù)量降至地面水平的億分之一。同時(shí)地下巖洞構(gòu)成巖石主要是大理石，不存在多少輻射材料，且遠(yuǎn)離會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤信號(hào)的輻射源。

　　2010年，這座實(shí)驗(yàn)室投入使用，目前有兩個(gè)中國(guó)科學(xué)家牽頭的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)駐，包括上海交通大學(xué)牽頭組織的PandaX實(shí)驗(yàn)和清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)。

　　在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室拍攝的上海交通大學(xué)牽頭組織的PandaX實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備（2014年12月24日攝）。 新華社記者 沈伯韓 攝

　　“我們已接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣”

　　雅礱江，發(fā)源于巴顏喀拉山，之后一路向南，直到碰到海拔4200米的錦屏山不得不改變流向，形成一個(gè)U形的大河彎。昔日為修建錦屏水電站，一條交通隧道連接U形大河彎的兩側(cè)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室便在這隧道中部，上方是巍巍錦屏山。

　　乘坐急速電梯下行、穿過層層戒備、瞳孔識(shí)別門禁……和記者想象不同，實(shí)驗(yàn)室不像美國(guó)大片中慣常的入門橋段，從交通隧道入口乘車10分鐘左右，便到達(dá)實(shí)驗(yàn)室入口。如果不是進(jìn)入隧道前要進(jìn)行安全檢查，很難讓人覺察到這里的特殊。

　　但很快，這個(gè)世界頂級(jí)的地下實(shí)驗(yàn)室便開始展示出它的力量。記者隨PandaX實(shí)驗(yàn)組進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)門后換上防塵衣物，沒走幾步，手機(jī)信號(hào)隨即徹底消失。實(shí)驗(yàn)室不大，走過十多米的走廊，便可看到各種管道、儀器和扶梯環(huán)繞的實(shí)驗(yàn)核心裝置，好似一個(gè)層層包裹、白白胖胖的大膠囊。

　　據(jù)了解，PandaX采用液氙技術(shù)，即將氙氣制冷至零下100攝氏度，當(dāng)暗物質(zhì)跟氙原子發(fā)生碰撞時(shí)，氙原子就會(huì)發(fā)光，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生自由電子。科學(xué)家的工作就是想辦法把這些微弱的光和幾個(gè)自由電子探測(cè)出來，同時(shí)確認(rèn)這些信號(hào)不是由其他原因引起的。而之所以選用液氙這種介質(zhì)，因?yàn)榕c元素周期表中其他元素相比，選用它能增加與暗物質(zhì)粒子相撞的機(jī)會(huì)。

　　為盡可能祛除干擾，除實(shí)驗(yàn)室上方的天然巖石層外，實(shí)驗(yàn)核心裝置外還安裝了由銅、聚乙烯、鉛塊組成的多個(gè)屏蔽層，以此將實(shí)驗(yàn)室中的中子、伽馬射線等阻擋在探測(cè)器外。

　　但即使是這樣層層設(shè)防，各種與暗物質(zhì)無關(guān)的輻射物還會(huì)與探測(cè)器中的氙原子核發(fā)生每秒成百上千次碰撞，這些干擾信號(hào)要靠計(jì)算機(jī)來篩選。季向東說：“最終值得PandaX實(shí)驗(yàn)裝置記錄的發(fā)光事件，大約每秒只有1次，每年就是3000萬次左右。”

　　那每年3000萬次發(fā)光事件，有多少是跟暗物質(zhì)真正有關(guān)？季向東坦言：“很可能不到1次。”

　　盡管每前進(jìn)一步都很艱難，但過去五年里，我國(guó)在暗物質(zhì)暗能量研究領(lǐng)域依然取得了跨越式發(fā)展。

　　2014年，CDEX實(shí)驗(yàn)組得到了目前該類探測(cè)器在國(guó)際上最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步縮小了暗物質(zhì)可能存在的區(qū)域。PandaX實(shí)驗(yàn)組也于同年公布了一期實(shí)驗(yàn)獲得的首批數(shù)據(jù)，對(duì)以往國(guó)際上所有發(fā)現(xiàn)的疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號(hào)提出了質(zhì)疑。

　　為把物理學(xué)“烏云”真變成“彩虹”，世界各國(guó)一直在“賽跑”。

　　暗物質(zhì)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家的地下實(shí)驗(yàn)室中開展了近20年，技術(shù)也日趨成熟。目前PandaX實(shí)驗(yàn)二期擴(kuò)建接近完成，核心區(qū)液氙規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　季向東表示，隨著靈敏度的提升，中國(guó)人有望率先找到理論預(yù)言的暗物質(zhì)粒子。

　　“我們已接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣，我們想要證明，世界前沿科學(xué)之首的問題，由中國(guó)人給出答案。”他說。

　　在位于四川錦屏山隧道內(nèi)的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室門口拍攝的在這里尋找暗物質(zhì)的研究人員江灝、劉江來、楊麗桃、任祥祥、李紹莉、趙力、肖翔（從左至右，2014年12月25日攝）。 新華社記者 沈伯韓 攝

　　在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)組，研究人員江灝在查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（2014年12月24日攝）。 新華社記者 沈伯韓 攝

(來源:新華網(wǎng))