在地球深層搜尋暗物質
——中國志在暗物質領域躋身世界前列

馮詩齊/編譯

在地球深層搜尋暗物質
——中國志在暗物質領域躋身世界前列

馮詩齊/編譯

中國發起了世界上最深的粒子物理學實驗，正式加入一個“已顯擁擠”的領域

● 在地下1 000多米深處，物理學家設置了液態氙陷阱來捕捉他們的獵物：即假設中的暗物質粒子，它們在穿越地球時很少同普通物質發生作用。雖然每個實驗室建設成本高達1 000萬美元，但比起它們的目標——查清宇宙中占85%的物質的構成，還算是相對便宜。不過，在世界上設置四套這樣的設施真有必要嗎?

美國和日本正在意大利進行這樣的實驗，現在他們要聯合設在中國的第四套名叫PandaX的裝置(見“暗物質和深度”插圖)。這套裝置安裝在世界上最深的實驗室中，即在四川省錦屏的大理巖山脈下2 500米處。PandaX今年將開始監測一個裝有25公斤氙的貯罐。參加該實驗的團隊希望，到2016年能將這個貯罐擴大到1噸，這將意味著該實驗要比其他搜尋暗物質的實驗進展更快。“我們想要證明，中國完全可以做出世界一流的暗物質研究，”上海交通大學物理學家、PandaX項目發言人季向東(Xiangdong Ji)教授說。

暗物質搜尋競爭激烈

西方國家的暗物質研究人員為該項目的雄心而興奮不已，但也有人質疑這是否在重復勞動。“不值得把我們所有的錢花在各個直接檢測實驗上，”加利福尼亞門洛帕克市斯坦福直線加速器中心（SLAC）的天體物理學家史蒂芬·芬克(Stefan Funk)說。他承認他對此有偏見——他采用間接方法，即通過觀察天空中可能出現的γ射線信號來尋找暗物質。

氙實驗的不斷增多反映了在暗物質搜尋者之間的激烈競爭，以及各國爭相解決物理學最引人注目的難題之一的雄心。對星系旋轉和宇宙背景輻射，即大爆炸后的余暉的觀測顯示，宇宙中約有85%的物質在施加引力，卻并不輻射光。主流理論認為，這種暗物質是以弱相互作用大質量粒子(WIMP)的形式出現。如果它們存在，偶爾會與普通物質的原子核碰撞，原則上它們可在一個裝有原子密度的材料——如氙——的大貯罐中被直接檢測到：當它們與原子核碰撞時，氙會發光。

這類實驗被放置到地下以盡量減少與WIMP相仿的宇宙射線的干擾。到目前為止，他們還一無所獲。位于意大利拉奎附近的XENON100所獲得最大的進展，即運行迄今的225天中（至今年2月20日），在排除了更重和更強相互作用粒子的存在后，未檢測到WIMP信號。在接下來的幾個月時間里，XENON協作項目將開始加大其探測器，將氙的用量提升到超過1噸，探測靈敏度將提高100倍。

PandaX是由中國自然科學基金和國家科技部資助的項目，團隊包括了XENON協作項目的成員。實驗室位于四川錦屏山下，經過兩年的建設，于2011年正式啟用。研究人員在狹小的實驗室里開展自己的工作，他們希望今年年底在更輕的WIMP方面匹敵目前XENON100的靈敏度。季向東坦承，因為要依賴海外很多地區的供應商來支撐，對于在華中偏遠地區工作的他們來說，無疑面臨巨大的挑戰。就在2月中旬，由于液態氮的交貨延遲，團隊未能實現其實驗的冷卻。幸好PandaX要比其他實驗深1公里，因而更容易屏蔽宇宙射線，而這又將使其更容易提升實驗規模。

資源整合抑或時機未到

中國與在美國的一些大學所組成的財團一起，投資約1 500萬美元建立PandaX項目，但團隊希望有更多的國際合作伙伴。1月份，PandaX向尚未與中國基金會建立協議的美國能源部 (DOE)申請合作，但遭到婉拒。相反，DOE正在資助另一個從XENON協作項目中分離出的項目，即南達科他州霍姆斯特克金礦的大型地下氙(LUX)實驗。

霍姆斯特克一度是主要的地下實驗室的所在地。但實驗室的主要出資人美國國家科學基金會(NSF)2010年放棄了這個念頭 (參見Nature http:// doi.org/bcbr7z;2010)，聽任DOE獨自運行該實驗室，包括負擔日常抽水以避免礦井水淹等全部開支。

LUX可能是所有氙實驗中最脆弱的，伊利諾伊州芝加哥大學物理學家胡安·科勒(Juan Collar)說，他采用若干較小型的實驗來尋找輕WIMP。“籌集資金真是令人望而生畏，”他說。DOE已經宣布，它計劃在10月份減少其所資助的大型暗物質實驗的數量，LUX 很可能面臨經費削減的窘境 。 而XENON100的經費來自于NSF，因此不受影響。

羅得島州普羅維登斯的布朗大學物理學家兼LUX項目發言人里克·蓋茨克爾(Rick Gaitskell)說，美國需要自己的深部地下實驗室以保持其在暗物質研究領域的優勢。“我們為什么要放棄自己的領先地位，把所有的資源都轉移到海外呢?”他問道。

然而，現在擁有也許是世界上最佳地下實驗室的季向東卻說，進行某些整合是必不可少的。國際社會不可能同時資助兩個以上的氙實驗和多噸級的探測器，他說，美國需要抉擇究竟應當保留什么。同時，有許多團隊致力于促進技術進步，這并不算壞。“這將有助于推進最終的暗物質實驗。”

[資料來源：Nature][責任編輯：則 鳴]