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在地底尋覓「宇宙幽靈」走近全球最深的暗物質探測實驗室

什麼是暗物質？普通人對它的直觀認識多來自科幻作品。在電影《變形金剛》中，機器人「禁閉」所駕駛的飛船就是由它驅動進行星際航行的。在剛剛斬獲世界科幻文壇最高獎的小說《三體》裡，它是太陽系遭受高級外星文明攻擊後的隱形殘骸。這些奇幻創作的科學依據就來自人類久尋不得的「暗物質」。全球最深的暗物質探測實驗室——中國錦屏地下實驗室，地處四川南部地底深處，在那裡，一批中國科學家正尋找目前還是理論存在的暗物質，希望覓得被科學界稱為「宇宙幽靈」的蛛絲馬跡。全國科普日到來之際，新華社記者來到錦屏地下實驗室，帶你瞭解中國的暗物質研究。錦屏地下實驗室暗物質比例遠超出人類可看到的物質如果把21世紀現代物理學和天文學比作「晴朗天空」，暗物質和暗能量則被看作「兩朵烏雲」，兩者難以用現有理論解釋。這不是物理學「天空」第一次出現「烏雲」。19世紀末，以牛頓經典力學為基礎的經典物理學大廈被認為「已經建成」，僅需「修修補補」。但有兩個實驗結果與理論預測不相符的問題：黑體輻射和乙太漂移，這「兩朵烏雲」漂浮於當時的物理學「天空」中。正是這「兩朵烏雲」，催生了物理學在20世紀初期的兩場革命：相對論和量子力學，兩者極大改變了人類對宇宙的認識。舊雲方散，新「雲」又來。存在於物理學天空的「新烏雲」至今仍橫亙在研究的「天空」。十多年前，美國國家研究理事會將「什麼是暗物質」列為21世紀與宇宙相關的重大前沿科學問題之首。涉及宇宙產生和演化的最基本問題「暗物質這麼被大家『惦記』，因為它涉及宇宙產生和演化的一些最基本問題。」上海交通大學物理與天文系特別研究員劉江來說。據悉，科學家曾嘗試用力學和光度兩種不同的方法測量整個宇宙的質量。令人驚訝的是，兩者結果差異巨大。就好像分別用度量準確的桿秤和電子秤稱量同一個蘋果，結果卻出現了數量級差異。換句話說，在現有的理論框架下，如果僅有肉眼可見的物質，是無法維持宇宙運行的。進一步說，如果沒有暗物質，星系早已分崩離析，四散奔逃。上海交大暗物質實驗室沒有暗物質，星系早已分崩離析中國「千人計畫」專家、上海交通大學鴻文講席教授季向東將暗物質比喻成宇宙中的「幽靈」。他說，迄今的研究和分析表明，暗物質在宇宙中所占的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質。「我們通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的5%。」但這個超出普通人認知的物質真的存在？或者能被探測？季向東說：「暗物質跟普通物質幾乎不相互作用，所以探測它十分困難。」顛覆人類對宇宙的認識而在劉江來看來，雖然尋找暗物質註定十分艱難，但不論找不找得到，都將顛覆人類對宇宙的認識，推動人類對物質世界的理解。因為如果找不到，便意味著人類關於引力的理解在很大程度上是有問題的，物理學和天文學理論就必須進行大的修正。「從這個角度來說，對這片『烏雲』的認識，乃至捕捉，難道不可以幻化出21世紀物理學的『雨後彩虹』？」他說。錦屏地下實驗室（新華社）在黑暗的地底探尋星空的奧妙在搜尋暗物質的道路上，目前主要有3種方法：一是利用粒子對撞產生暗物質觀察其衰變的產生實驗，主力設備是歐洲核子中心的大型強子對撞機。二是基於暗物質湮滅產生反物質的原理在太空進行的湮滅實驗。三是測量暗物質散射至液體或固體的散射實驗。目前中國錦屏地下實驗室的兩個實驗組均屬第三類。存在於宇宙中的暗物質，為何要到地下探測？劉江來把暗物質比作宇宙中的「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發出「響聲」，實驗探測器的任務就是把這種「響聲」記錄下來。探測實驗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實驗本底的干擾。用劉江來的話說，就是「去掉『汽車和周邊環境產生的各種聲音』。」暗物質的「聲音」暗物質的「聲音」有多小？「就好像聽眾坐在第一排聽音樂會，還要聽清30米外一隻蚊子的嗡嗡聲。」劉江來比喻說。錦屏地下實驗室對「濾聲」而言，條件得天獨厚。實驗室深度為全球同類實驗室中最深，上方2.4公里厚的岩石層可攔截大部分穿透力極強的宇宙射線，使其數量降至地面水平的億分之一。同時地下岩洞構成岩石主要是大理石，不存在多少輻射材料，且遠離會導致錯誤信號的輻射源。2010年，這座實驗室投入使用，目前有兩個中國科學家牽頭的實驗組進駐，包括上海交通大學牽頭組織的PandaX實驗和清華大學主導的CDEX實驗。「我們已接近發現暗物質的邊緣」雅礱江，發源於巴顏喀拉山，之後一路向南，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，中國錦屏地下實驗室便在這隧道中部，上方是巍巍錦屏山。乘坐急速電梯下行、穿過層層戒備、瞳孔識別門禁……和記者想像不同，實驗室不像美國大片中慣常的入門橋段，從交通隧道入口乘車10分鐘左右，便到達實驗室入口。如果不是進入隧道前要進行安全檢查，很難讓人覺察到這裡的特殊。但很快，這個世界頂級的地下實驗室便開始展示出它的力量。記者隨PandaX實驗組進入實驗室，進門後換上防塵衣物，沒走幾步，手機信號隨即徹底消失。實驗室不大，走過十多米的走廊，便可看到各種管道、儀器和扶梯環繞的實驗核心裝置，好似一個層層包裹、白白胖胖的大膠囊。據瞭解，PandaX採用液氙技術，即將氙氣製冷至零下100攝氏度，當暗物質跟氙原子發生碰撞時，氙原子就會發光，同時也會產生自由電子。科學家的工作就是想辦法把這些微弱的光和幾個自由電子探測出來，同時確認這些信號不是由其他原因引起的。而之所以選用液氙這種介質，因為與元素周期表中其他元素相比，選用它能增加與暗物質粒子相撞的機會。地下實驗室盡可能祛除干擾為盡可能祛除干擾，除實驗室上方的天然岩石層外，實驗核心裝置外還安裝了由銅、聚乙烯、鉛塊組成的多個遮罩層，以此將實驗室中的中子、伽馬射線等阻擋在探測器外。但即使是這樣層層設防，各種與暗物質無關的輻射物還會與探測器中的氙原子核發生每秒成百上千次碰撞，這些干擾信號要靠電腦來篩選。季向東說：「最終值得PandaX實驗裝置記錄的發光事件，大約每秒只有1次，每年就是3000萬次左右。」那每年3000萬次發光事件，有多少是跟暗物質真正有關？季向東坦言：「很可能不到1次。」儘管每前進一步都很艱難，但過去五年裡，中國在暗物質暗能量研究領域依然取得了跨越式發展。2014年，CDEX實驗組得到了目前該類探測器在國際上最靈敏的實驗結果，進一步縮小了暗物質可能存在的區域。PandaX實驗組也於同年公布了一期實驗獲得的首批資料，對以往國際上所有發現的疑似輕質量暗物質信號提出了質疑。「烏雲」與「彩虹」的「賽跑」為把物理學「烏雲」真變成「彩虹」，世界各國一直在「賽跑」。暗物質的探測實驗已經在多個國家的地下實驗室中開展了近20年，技術也日趨成熟。目前PandaX實驗二期擴建接近完成，核心區液氙規模進一步擴大。季向東表示，隨著靈敏度的提升，中國人有望率先找到理論預言的暗物質粒子。「我們已接近發現暗物質的邊緣，我們想要證明，世界前沿科學之首的問題，由中國人給出答案。」他說。相關報導● 諾貝爾物理學獎得主丁肇中：證明暗物質存在還需5到10年● 追尋暗物質、暗能量 超級巡天望遠鏡開工