為何要“鉆”到地下探測暗物質？

北莫寒

暗物質和暗能量占宇宙總物質-能量的96%

據中科院高能物理研究所研究員、“千人計劃”入選者張雙南發文《空間時代的天文學研究——從空間天文觀測到諾貝爾物理學獎》顯示，宇宙中的普通物質、暗物質和暗能量分別占宇宙總的物質-能量的比例為4%、23%和73%，但目前物理學中即使是最成功的粒子物理標準模型也只能接受宇宙中的普通物質，也就是說我們對90%以上的宇宙成分幾乎一無所知。

關于暗物質，普遍的理論認為，在宇宙中只有四分之一的物質是可見的，而那四分之三的不可見神秘物質就是所謂的暗物質。暗物質粒子的奇特之處就在于，當它們穿過某物體時，就像對方不存在一樣，無視其碰撞體。

中國錦屏地下實驗室位于四川省涼山州，是目前世界埋深最深的地下實驗室。

為什么要在地下深處建造實驗室？

中科院發布的《創新2050：科學技術與中國的未來》戰略研究報告顯示，“揭開暗物質、暗能量之謎，將是人類認識宇宙的又一次重大飛躍，可能導致一場新的物理學革命。為此，需投資建設幾項關鍵性的探測暗物質、暗能量的重大實驗裝置，包括地下和太空的粒子探測器和在南極建立大口徑天文望遠鏡，以取得第一手實驗數據，在國際競爭中處于主導地位。”

為此，用于探測暗物質和暗能量的眾多實驗裝置，其中就包括地下實驗室。這種特殊的實驗室還能幫助地質學家和生態學家解決許多問題。

實驗需要最“干凈”的環境。這里的“干凈”，是指輻射最少、雜質最少。所以應盡量遮蔽住宇宙射線，用巖石阻擋。

為了讓實驗室變得更“干凈”，工作人員還對環境進行了特殊的包裝。實驗室外層是1米厚的聚乙烯材料，用于阻攔和吸引中子;然后是20厘米厚的鉛層，用于屏蔽外部的伽馬射線;20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子;10厘米厚的高純無氧銅，用于阻擋鉛材料及外部其他材料中的伽馬射線。這些屏蔽設備幾乎屏蔽掉了能夠考慮到的一切輻射源。

垂直巖石覆蓋厚度達2400米

為何要“鉆”到地下去探測

暗物質是種特殊的粒子，它們的質量很大，但作用力卻微乎其微。每天可能有幾萬億個暗物質穿過你的身體，但你卻感受不到，因為暗物質的散射截面很小。打個比方，就像一只足球能被球網擋住，但是一個小鐵球就能穿網而過，就是因為它的截面比球網的網格小。

就如何“網”住暗物質，科學家也想了很多辦法。最初的辦法是天文觀測，但卻無法解答“暗物質是什么”。后來，科學家又嘗試通過地面或太空望遠鏡，探測暗物質相互碰撞產生的普通物質粒子信號，還用原子核與暗物質碰撞，探測碰撞產生的信號。而在地面上，宇宙射線眾多，干擾了探測。而地下實驗室可以幫助探測器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。

世界上最深的地下實驗室

在中國四川省的大山深處，有一個非常神奇的實驗室——中國錦屏地下實驗室，垂直巖石覆蓋厚度達2400米，是目前世界上埋深最深的地下實驗室。

“中國錦屏地下實驗室”是利用二灘公司為建設水電站而修建的錦屏山隧道建成，這條隧道除了有約2400米的巖石覆蓋層外，洞內巖體天然放射性極低，非常適合開展暗物質探測等基礎科學領域的探測試驗。且極深的地下也是對低放射性材料、環境核輻射污染進行檢測的良好環境。

錦屏地下實驗室主要做哪些實驗？

中國錦屏地下實驗室由清華大學運營，目前用兩種方法進行暗物質探測實驗：高純鍺實驗和液態氙實驗。

2012年，清華大學主導的CDEX實驗組在錦屏地下實驗室里獲得了第一批寶貴的數據，并展開了數據分析。2013年，實驗組的首個研究成果發表在國際權威物理期刊《物理評論D》上，這是中國第一個自主開展暗物質實驗研究的物理結果。該實驗成果對低質量區暗物質粒子的探測靈敏度達到了國際一流水平。

上海交通大學主導的科研團隊在錦屏實驗室進行熊貓計劃（Panda X），該實驗利用在空氣中提純的惰性元素氙作為探測媒介來尋找暗物質。其中的Panda X-I 125千克級氙探測器已經于2014年3月正式運行開始探測數據，是中國開展的首個百千克級大型暗物質實驗，它的運行結果標志著中國在暗物質探測這個前沿科學領域跨進世界先進行列。

使用液態氙進行暗物質探測實驗的“熊貓X”團隊的負責人、上海交通大學和馬里蘭大學的物理學家、中國“千人計劃”入選者季向東說，“我們計劃進行一個終極的暗物質捕捉實驗，使用20噸的液態氙”，這比目前任何一個同類實驗使用的液態氙都要多，“熊貓X”團隊現在液態氙的使用量是37千克。

從2014年8月開始，中國錦屏地下實驗室二期工程開始建設。不久以后，世界各地的科學家就能在這里開展深地科學研究。在擴建好的實驗空間中，研究人員還將開展“核天體物理學”研究。核天體物理是核物理與天體物理的交叉學科，用核（粒子）物理的理論方法研究星體演化等問題。