在地球深層搜尋暗物質(zhì)
——中國志在暗物質(zhì)領(lǐng)域躋身世界前列

馮詩齊/編譯

在地球深層搜尋暗物質(zhì)
——中國志在暗物質(zhì)領(lǐng)域躋身世界前列

馮詩齊/編譯

中國發(fā)起了世界上最深的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，正式加入一個(gè)“已顯擁擠”的領(lǐng)域

● 在地下1 000多米深處，物理學(xué)家設(shè)置了液態(tài)氙陷阱來捕捉他們的獵物：即假設(shè)中的暗物質(zhì)粒子，它們?cè)诖┰降厍驎r(shí)很少同普通物質(zhì)發(fā)生作用。雖然每個(gè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高達(dá)1 000萬美元，但比起它們的目標(biāo)——查清宇宙中占85%的物質(zhì)的構(gòu)成，還算是相對(duì)便宜。不過，在世界上設(shè)置四套這樣的設(shè)施真有必要嗎?

美國和日本正在意大利進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在他們要聯(lián)合設(shè)在中國的第四套名叫PandaX的裝置(見“暗物質(zhì)和深度”插圖)。這套裝置安裝在世界上最深的實(shí)驗(yàn)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(jiān)測一個(gè)裝有25公斤氙的貯罐。參加該實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)希望，到2016年能將這個(gè)貯罐擴(kuò)大到1噸，這將意味著該實(shí)驗(yàn)要比其他搜尋暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(zhì)研究，”上海交通大學(xué)物理學(xué)家、PandaX項(xiàng)目發(fā)言人季向東(Xiangdong Ji)教授說。

暗物質(zhì)搜尋競爭激烈

西方國家的暗物質(zhì)研究人員為該項(xiàng)目的雄心而興奮不已，但也有人質(zhì)疑這是否在重復(fù)勞動(dòng)。“不值得把我們所有的錢花在各個(gè)直接檢測實(shí)驗(yàn)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(xué)家史蒂芬·芬克(Stefan Funk)說。他承認(rèn)他對(duì)此有偏見——他采用間接方法，即通過觀察天空中可能出現(xiàn)的γ射線信號(hào)來尋找暗物質(zhì)。

氙實(shí)驗(yàn)的不斷增多反映了在暗物質(zhì)搜尋者之間的激烈競爭，以及各國爭相解決物理學(xué)最引人注目的難題之一的雄心。對(duì)星系旋轉(zhuǎn)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(zhì)在施加引力，卻并不輻射光。主流理論認(rèn)為，這種暗物質(zhì)是以弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)的形式出現(xiàn)。如果它們存在，偶爾會(huì)與普通物質(zhì)的原子核碰撞，原則上它們可在一個(gè)裝有原子密度的材料——如氙——的大貯罐中被直接檢測到：當(dāng)它們與原子核碰撞時(shí)，氙會(huì)發(fā)光。

這類實(shí)驗(yàn)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(jìn)展，即運(yùn)行迄今的225天中（至今年2月20日），在排除了更重和更強(qiáng)相互作用粒子的存在后，未檢測到WIMP信號(hào)。在接下來的幾個(gè)月時(shí)間里，XENON協(xié)作項(xiàng)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(xué)基金和國家科技部資助的項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)包括了XENON協(xié)作項(xiàng)目的成員。實(shí)驗(yàn)室位于四川錦屏山下，經(jīng)過兩年的建設(shè)，于2011年正式啟用。研究人員在狹小的實(shí)驗(yàn)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?yàn)橐蕾嚭Ｍ夂芏嗟貐^(qū)的供應(yīng)商來支撐，對(duì)于在華中偏遠(yuǎn)地區(qū)工作的他們來說，無疑面臨巨大的挑戰(zhàn)。就在2月中旬，由于液態(tài)氮的交貨延遲，團(tuán)隊(duì)未能實(shí)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)的冷卻。幸好PandaX要比其他實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)模。

資源整合抑或時(shí)機(jī)未到

中國與在美國的一些大學(xué)所組成的財(cái)團(tuán)一起，投資約1 500萬美元建立PandaX項(xiàng)目，但團(tuán)隊(duì)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(huì)建立協(xié)議的美國能源部 (DOE)申請(qǐng)合作，但遭到婉拒。相反，DOE正在資助另一個(gè)從XENON協(xié)作項(xiàng)目中分離出的項(xiàng)目，即南達(dá)科他州霍姆斯特克金礦的大型地下氙(LUX)實(shí)驗(yàn)。

霍姆斯特克一度是主要的地下實(shí)驗(yàn)室的所在地。但實(shí)驗(yàn)室的主要出資人美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)2010年放棄了這個(gè)念頭 (參見Nature http:// doi.org/bcbr7z;2010)，聽任DOE獨(dú)自運(yùn)行該實(shí)驗(yàn)室，包括負(fù)擔(dān)日常抽水以避免礦井水淹等全部開支。

LUX可能是所有氙實(shí)驗(yàn)中最脆弱的，伊利諾伊州芝加哥大學(xué)物理學(xué)家胡安·科勒(Juan Collar)說，他采用若干較小型的實(shí)驗(yàn)來尋找輕WIMP。“籌集資金真是令人望而生畏，”他說。DOE已經(jīng)宣布，它計(jì)劃在10月份減少其所資助的大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，LUX 很可能面臨經(jīng)費(fèi)削減的窘境 。 而XENON100的經(jīng)費(fèi)來自于NSF，因此不受影響。

羅得島州普羅維登斯的布朗大學(xué)物理學(xué)家兼LUX項(xiàng)目發(fā)言人里克·蓋茨克爾(Rick Gaitskell)說，美國需要自己的深部地下實(shí)驗(yàn)室以保持其在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的優(yōu)勢。“我們?yōu)槭裁匆艞壸约旱念I(lǐng)先地位，把所有的資源都轉(zhuǎn)移到海外呢?”他問道。

然而，現(xiàn)在擁有也許是世界上最佳地下實(shí)驗(yàn)室的季向東卻說，進(jìn)行某些整合是必不可少的。國際社會(huì)不可能同時(shí)資助兩個(gè)以上的氙實(shí)驗(yàn)和多噸級(jí)的探測器，他說，美國需要抉擇究竟應(yīng)當(dāng)保留什么。同時(shí)，有許多團(tuán)隊(duì)致力于促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，這并不算壞。“這將有助于推進(jìn)最終的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。”

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]