在極深地下探尋暗物質(zhì)

黃增強

在許多科幻影視作品里，一些國家或者科學(xué)怪人都建有秘密的實驗室，有的建在數(shù)萬米的高空中，有的建在幾千米的深海或地下。在中國有這么一個實驗室，它建造在2400米深的地下，這個地下實驗室肩負著探尋被科學(xué)家稱為“宇宙幽靈”的暗物質(zhì)的重任。

所謂暗物質(zhì)，通俗地講就是指那些既不發(fā)射光，又不吸收和反射光的物質(zhì)，其特性主要表現(xiàn)為：它是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，不帶電荷，不與電子發(fā)生干擾，能夠穿越電磁波和引力場;它不發(fā)光，也不發(fā)出電磁波，雖然看不見，摸不著，但無處不在;它無法直接觀測得到，但它與通常的物質(zhì)一樣，具有引力作用，能干擾星體發(fā)出的光波或引力;它的密度小，其存在能被明顯地感受到，且速度快，數(shù)量和總質(zhì)量很大。

科學(xué)家曾將宇宙比喻成一個由三個部分組成的大餅，其中普通物質(zhì)占5%，暗物質(zhì)占27%，暗能量占68%，由此可以看出，暗物質(zhì)是宇宙的重要組成部分。據(jù)宇宙學(xué)科學(xué)家的研究表明，宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演變正是暗物質(zhì)促成的，如果沒有暗物質(zhì)的存在，就不會形成今天的星系，就沒有恒星和行星，也談不上今天的人類了。因此，如果我們不去了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能了解宇宙和宇宙的演化。

暗物質(zhì)既然存在于宇宙中，為何我們還要選擇到地下去探測呢？世界上有哪些國家在地下建立了探尋暗物質(zhì)的實驗室呢？

暗物質(zhì)雖然神秘，但科學(xué)家在探測實驗中發(fā)現(xiàn)，只要讓原子核與暗物質(zhì)發(fā)生碰撞，就有可能探測到碰撞產(chǎn)生的信號。在地表，宇宙射線和生活輻射會嚴重干擾暗物質(zhì)的探測，即使有時候原子核與暗物質(zhì)發(fā)生有效撞擊，但碰撞產(chǎn)生的信號會因為這些干擾而無法被鑒別。所以，在輻射極低的地下，可以最大限度地屏蔽宇宙射線等影響，有效探測到碰撞信號。

一些國家為了探測暗物質(zhì)，紛紛建立了地下實驗室。意大利、美國、日本、俄羅斯等國都建立了地下實驗室，且取得了重大的科研成果。意大利的格蘭莎索實驗室建造在地下1400米深處，美國的桑德福實驗室位于地下1500米深處。

隨著科學(xué)技術(shù)研究的不斷進步，我國也對詭秘的暗物質(zhì)進行了研究。2009年，由清華大學(xué)主導(dǎo)，聯(lián)合上海交通大學(xué)、四川大學(xué)、南開大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院等多家單位組成暗物質(zhì)實驗研究團隊，在四川錦屏山隧道中間位置的地下修建了極深地下實驗室。2010年12月，實驗室建成并投入使用。錦屏地下在錦屏山地下2400米，共有4組8個實驗室，容積為4000立方米。2014年，“中國錦屏地下實驗室”二期工程開始投入建設(shè)，此實驗室與國際上其他的地下實驗室相比，巖石覆蓋最深、宇宙線通量最小、可用空間最大。實驗室內(nèi)，宇宙射線通量可以降到地面水平的億分之一。這個實驗室是我國首個極深地下實驗室，也是全球最深的地下實驗室。如今，清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX（中國暗物質(zhì)實驗）高純鍺暗物質(zhì)實驗和上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX（熊貓計劃）液氙暗物質(zhì)實驗項目已入駐錦屏實驗室。

錦屏地下實驗室自建成投入使用以來，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)各自主導(dǎo)的暗物質(zhì)探測實驗均取得了一系列研究成果。2014年，清華大學(xué)暗物質(zhì)實驗組獲得了在10GeV（能量單位，表示十億電子伏特）以下能區(qū)里同類探測器最靈敏的實驗結(jié)果，排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域。2016年，上海交通大學(xué)暗物質(zhì)實驗組二期500千克液氙暗物質(zhì)探測器運行的第一個物理結(jié)果公布，在3.3萬千克/天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，對可能的暗物質(zhì)候選對象給出了最新的限制。在較短的時間內(nèi)，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等暗物質(zhì)研究取得的研究成果表明，我國暗物質(zhì)探測實驗從無到有，研究水平達到國際先進，由“跟跑” 變成“并跑”，最終成為“領(lǐng)跑”。

2019年7月20日，錦屏地下實驗室又啟動了新階段建設(shè)，“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設(shè)施”項目正式進駐地底，開始安裝實驗設(shè)備，這標志著我國暗物質(zhì)研究將進入新的研究階段。

我國對宇宙中最詭秘的暗物質(zhì)進行了九年的研究探測，目前雖然還沒有探測到暗物質(zhì)，但暗物質(zhì)的藏身范圍已越來越小，我們已接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣。錦屏地下實驗室新階段建設(shè)完工后，實驗室總?cè)莘e將從原來的4000立方米擴容到30萬立方米，可容納更多的實驗組。

隨著暗物質(zhì)探測技術(shù)日趨成熟和探測靈敏度的提升，我國有望率先找到“宇宙幽靈” 暗物質(zhì)。相信在不久的將來，暗物質(zhì)也會像黑洞一樣被人們找到和拍到。當暗物質(zhì)的神秘面紗被揭開后，人們會進一步認識和理解宇宙的起源、構(gòu)成和演化，暗物質(zhì)將被運用到更廣闊的領(lǐng)域。