原標題：尋覓“宇宙幽靈”：走近全球最深暗物質(zhì)實驗室
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(qū)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》里，它是太陽系遭受高級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)探測實驗室——中國錦屏地下實驗室，地處四川南部地底深處，在那里，一批中國科學(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。
全國科普日到來之際，新華社記者來到錦屏地下實驗室，帶你了解中國的暗物質(zhì)研究。
這是錦屏山隧道。中國錦屏地下實驗室便在這隧道中部，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)份額遠超人類可看到的物質(zhì)
如果把21世紀現(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)大廈被認為“已經(jīng)建成”，僅需“修修補補”。但有兩個實驗結(jié)果與理論預(yù)測不相符的問題：黑體輻射和以太漂移，這“兩朵烏云”漂浮于當時的物理學(xué)“天空”中。
正是這“兩朵烏云”，催生了物理學(xué)在20世紀初期的兩場革命：相對論和量子力學(xué)，兩者極大改變了人類對宇宙的認識。
舊云方散，新“云”又來。存在于物理學(xué)天空的“新烏云”至今仍橫亙在研究的“天空”。十多年前，美國國家研究理事會將“什么是暗物質(zhì)”列為21世紀與宇宙相關(guān)的重大前沿科學(xué)問題之首。
“暗物質(zhì)這么被大家‘惦記’，因為它涉及宇宙產(chǎn)生和演化的一些最基本問題?！鄙虾＝煌ù髮W(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量整個宇宙的質(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確的桿秤和電子秤稱量同一個蘋果，結(jié)果卻出現(xiàn)了數(shù)量級差異。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)，是無法維持宇宙運行的。進一步說，如果沒有暗物質(zhì)，星系早已分崩離析，四散奔逃。
中國“千人計劃”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遠超過目前人類可以看到的物質(zhì)。“我們通常所觀測到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5％。”
但這個超出普通人認知的物質(zhì)真的存在？或者能被探測？
季向東說：“暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)幾乎不相互作用，所以探測它十分困難?！?/p>
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，都將顛覆人類對宇宙的認識，推動人類對物質(zhì)世界的理解。因為如果找不到，便意味著人類關(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)理論就必須進行大的修正。
“從這個角度來說，對這片‘烏云’的認識，乃至捕捉，難道不可以幻化出21世紀物理學(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：一是利用粒子對撞產(chǎn)生暗物質(zhì)觀察其衰變的產(chǎn)生實驗，主力設(shè)備是歐洲核子中心的大型強子對撞機。二是基于暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生反物質(zhì)的原理在太空進行的湮滅實驗。三是測量暗物質(zhì)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。
存在于宇宙中的暗物質(zhì)，為何要到地下探測？
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發(fā)出“響聲”，實驗探測器的任務(wù)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(huán)境產(chǎn)生的各種聲音’”。
暗物質(zhì)的“聲音”有多?。俊熬秃孟衤牨娮诘谝慌怕犚魳窌?，還要聽清30米外一只蚊子的嗡嗡聲?！眲⒔瓉肀扔髡f。
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公里厚的巖石層可攔截大部分穿透力極強的宇宙射線，使其數(shù)量降至地面水平的億分之一。同時地下巖洞構(gòu)成巖石主要是大理石，不存在多少輻射材料，且遠離會導(dǎo)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(xué)家牽頭的實驗組進駐，包括上海交通大學(xué)牽頭組織的PandaX實驗和清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實驗。
在中國錦屏地下實驗室拍攝的上海交通大學(xué)牽頭組織的PandaX實驗所用設(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……和記者想象不同，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，很難讓人覺察到這里的特殊。
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，進門后換上防塵衣物，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(huán)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(jù)了解，PandaX采用液氙技術(shù)，即將氙氣制冷至零下100攝氏度，當暗物質(zhì)跟氙原子發(fā)生碰撞時，氙原子就會發(fā)光，同時也會產(chǎn)生自由電子?？茖W(xué)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(zhì)，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(zhì)粒子相撞的機會。
為盡可能祛除干擾，除實驗室上方的天然巖石層外，實驗核心裝置外還安裝了由銅、聚乙烯、鉛塊組成的多個屏蔽層，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(shè)防，各種與暗物質(zhì)無關(guān)的輻射物還會與探測器中的氙原子核發(fā)生每秒成百上千次碰撞，這些干擾信號要靠計算機來篩選。季向東說：“最終值得PandaX實驗裝置記錄的發(fā)光事件，大約每秒只有1次，每年就是3000萬次左右?！?/p>
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。”
盡管每前進一步都很艱難，但過去五年里，我國在暗物質(zhì)暗能量研究領(lǐng)域依然取得了跨越式發(fā)展。
2014年，CDEX實驗組得到了目前該類探測器在國際上最靈敏的實驗結(jié)果，進一步縮小了暗物質(zhì)可能存在的區(qū)域。PandaX實驗組也于同年公布了一期實驗獲得的首批數(shù)據(jù)，對以往國際上所有發(fā)現(xiàn)的疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號提出了質(zhì)疑。
為把物理學(xué)“烏云”真變成“彩虹”，世界各國一直在“賽跑”。
暗物質(zhì)的探測實驗已經(jīng)在多個國家的地下實驗室中開展了近20年，技術(shù)也日趨成熟。目前PandaX實驗二期擴建接近完成，核心區(qū)液氙規(guī)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(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，由中國人給出答案?！彼f。
在位于四川錦屏山隧道內(nèi)的中國錦屏地下實驗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
在中國錦屏地下實驗室的清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實驗組，研究人員江灝在查看實驗數(shù)據(jù)（2014年12月24日攝）。 新華社記者 沈伯韓 攝（原標題：在地底尋覓“宇宙幽靈”——走近全球最深的暗物質(zhì)探測實驗室）
(來源:新華網(wǎng))