前幾天我去參加了四川大學(xué)組織的暗物質(zhì)理論和實(shí)驗(yàn)研討會(huì)。會(huì)后,，我也跟隨部分與會(huì)代表一起前往錦屏山參觀了錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室,，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)室。 

自從上世紀(jì)30年度Zwicky首次提出暗物質(zhì)的概念以來,，其存在的證據(jù)越來越多,。但是，這些證據(jù)都來自暗物質(zhì)的引力效應(yīng),。由于引力是“萬有”的,，因此僅僅從引力效應(yīng)還不能判斷暗物質(zhì)究竟是什么。為了回答暗物質(zhì)究竟是什么的問題,，還需要從其它類型的相互作用中尋找暗物質(zhì)的蹤跡,。另一方面，關(guān)于暗物質(zhì)究竟是什么,，有很多理論上的猜測(cè)和模型,，而每一種的暗物質(zhì)性質(zhì)不同，尋找的方法也不同,。不過,，就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP).這種粒子的特點(diǎn)是雖然沒有電磁相互作用和強(qiáng)相互作用,，但是參予弱相互作用,，同時(shí)質(zhì)量也比較大。WIMP之所以成為暗物質(zhì)的熱門候選者主要有三個(gè)原因：首先是WIMP具有“冷暗物質(zhì)”的各種性質(zhì),，而基于冷暗物質(zhì)的宇宙學(xué)模型與觀測(cè)符合得比較好,。其次，在粒子物理理論中比較容易構(gòu)造出符合WIMP特點(diǎn)的粒子,。例如,，流行的超對(duì)稱理論就預(yù)言可能存在最輕超對(duì)稱粒子，這種粒子如果不帶電就很容易符合WIMP的特性,。最后,，WIMP具有弱相互作用截面，而按照統(tǒng)計(jì)物理的粒子退耦理論計(jì)算,，WIMP的數(shù)量也剛好和觀測(cè)值同一個(gè)數(shù)量級(jí),。因此，目前大部分暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)是針對(duì)WIMP設(shè)計(jì)的,。

怎樣找到WIMP呢,？其中的一種方法就是“直接”探測(cè)實(shí)驗(yàn)。在這種實(shí)驗(yàn)中,，人們用一些高度靈敏的,、屏蔽的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè),。一般的粒子無法穿過探測(cè)器外面的屏蔽，而暗物質(zhì)粒子只有弱相互作用,，因此可以穿過屏蔽,。在多數(shù)情況下，當(dāng)然它也同樣穿過探測(cè)器,，但是既然暗物質(zhì)粒子有弱相互作用,，它就有一定的幾率與探測(cè)器內(nèi)的原子碰撞。由于WIMP粒子相當(dāng)重,，又以每秒幾百公里的高速度在銀河系的暗物質(zhì)暈重運(yùn)動(dòng),，因此在這一碰撞中，可以傳遞相當(dāng)多的能量（幾十keV)給被碰的原子,，導(dǎo)致原子被電離,、激發(fā)或產(chǎn)生晶格振動(dòng)，對(duì)于高靈敏度的探測(cè)器,，這是可以被探測(cè)的,。碰撞事例的多少取決于暗物質(zhì)的密度、質(zhì)量,、碰撞截面和探測(cè)器工作介質(zhì)的質(zhì)量,，噪聲主要來自宇宙線和自然放射性產(chǎn)生的中子。因此,，為了盡可能減少干擾噪聲,，必須把探測(cè)器深埋地下，這就是所謂地下實(shí)驗(yàn)室,。地下實(shí)驗(yàn)室越深,，對(duì)宇宙線的屏蔽效果就越好，也就越容易實(shí)現(xiàn)高靈敏度,。 這一方法自上世紀(jì)80年代提出后,，經(jīng)過近30年的研究，現(xiàn)在的探測(cè)器靈敏程度已經(jīng)接近理論模型預(yù)言的參數(shù)范圍,。意大利的DAMA實(shí)驗(yàn)組自十余年前開始就聲稱探測(cè)到暗物質(zhì)產(chǎn)生的年調(diào)制信號(hào),，不過這一結(jié)果沒有得到其它實(shí)驗(yàn)組的證實(shí)。去年底,，CDMS實(shí)驗(yàn)組也報(bào)告了兩個(gè)疑似暗物質(zhì)事例（參見“暗物質(zhì)探測(cè)的新結(jié)果”一文,，http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=279596）。也許暗物質(zhì)的直接探測(cè)離我們已經(jīng)不遠(yuǎn)了——當(dāng)然,，也存在著另外的可能,，就是暗物質(zhì)并非WIMP，那么這種類型的實(shí)驗(yàn)就探測(cè)不到,。 

我國(guó)以前沒有自己的地下暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn),，但參與了兩個(gè)國(guó)外的地下暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)：高能所參與了意大利的DAMA 實(shí)驗(yàn),，這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用意大利的Gran Sasso 隧道。清華大學(xué)參與了韓國(guó)的KIMS實(shí)驗(yàn),，這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用的是韓國(guó)襄陽(Yangyang)水電隧道。 

目前,，國(guó)際上的地下實(shí)驗(yàn)室有十幾個(gè),，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井,，另一種是利用隧道,。相比礦井而言，隧道在使用上要方便得多,，可以直接開車進(jìn)入,。但是，隧道的深度受到山高的限制,，對(duì)于比較短的隧道而言,，還要考慮從山側(cè)穿入的宇宙線。因此,，找到合適的隧道并不是那么容易的事,。幸運(yùn)的是，在我國(guó)四川西昌地區(qū)的錦屏山,，有條件極好的隧道,。為了利用雅礱江的水能資源，二灘水電公司正在錦屏山附近修建水電站,。雅礱江在這里有一個(gè)U字形的大轉(zhuǎn)彎,，長(zhǎng)達(dá)二百多公里，然而直線距離不過二十多公里,。填充U字形中心的是海拔四千多米,、相對(duì)高差兩千五百多米的錦屏山。為了方便水電工程建設(shè),，二灘公司在這里鉆了兩條長(zhǎng)17.5公里的交通隧道,，供施工車輛通行，其中一條已經(jīng)投入使用,。這條隧道上方覆蓋著2.5公里厚的巖層,，是世界第二深的隧道，而建成了地下實(shí)驗(yàn)室后,，可以成為當(dāng)前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室,，為暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供非常好的條件。 

錦屏山還有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì),，在于地下實(shí)驗(yàn)室所在處不是花崗巖,，而是變質(zhì)巖,，其自然放射性相當(dāng)?shù)停瑢?shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其天然放射性比洞外的巖石都低,。

地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)除了利用巖層屏蔽高能量的宇宙線外,，本身還需要相當(dāng)復(fù)雜的人工屏蔽以消除自然界放射性的影響。以錦屏山的清華實(shí)驗(yàn)(CDEX)為例,，墻壁有涂層以盡量阻斷巖體釋放氡氣,，探測(cè)器屏蔽最外層用1米厚的聚乙烯層慢化巖石中同位素放射性產(chǎn)生的中子，中間用20厘米的鉛層屏蔽伽瑪光子,，里層用15厘米的無氧銅屏蔽,。在這些被動(dòng)屏蔽層的里面，還有主動(dòng)屏蔽層,，探測(cè)穿越了上述幾層屏蔽以及屏蔽層自身內(nèi)微量同位素放射產(chǎn)生的粒子,，從而否決(veto)由這些輻射產(chǎn)生的事件。所有這些屏蔽層以及探測(cè)裝置自身的材料選擇都非常講究,，以盡可能降低屏蔽材料和探測(cè)器中自身含有的微量放射性同位素,。高純鍺探測(cè)器本身所用的鍺純度達(dá)13個(gè)9，以降低其自身放射性,。

盡管我自己并不從事WIMP直接探測(cè)的實(shí)驗(yàn)工作（我在暗物質(zhì)方面的研究主要是間接探測(cè)和天體物理限制,，也就是利用暗物質(zhì)粒子湮滅、衰變和相互作用在天體物理過程中的各種效應(yīng)去探測(cè)它）,，但我一直認(rèn)為,，這種實(shí)驗(yàn)投資較少而科學(xué)意義重大，是非常適合中國(guó)當(dāng)前情況的實(shí)驗(yàn),，因此在歷次有關(guān)的討論中,，對(duì)于在國(guó)內(nèi)建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室，開展WIMP直接探測(cè)實(shí)驗(yàn),，我都持積極支持的態(tài)度,。當(dāng)然，要開展這項(xiàng)研究,，也必須有相關(guān)的人才,、技術(shù)，還要找到合適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地,，所謂天時(shí),、地利、人和,，各方面的要素都是需要的,，而現(xiàn)實(shí)中這些因素往往并不同時(shí)具備。問題是我們是積極去尋找、創(chuàng)造這方面的條件,，還是消極等待,？ 

清華大學(xué)從事暗物質(zhì)探測(cè)研究的同事們積極行動(dòng)，花費(fèi)了許多時(shí)間與二灘公司聯(lián)系,、溝通,，獲得了他們的理解和支持。在二灘公司的支持下,，目前已經(jīng)建成了一塊實(shí)驗(yàn)空間,，其中里面的部分用來安裝清華大學(xué)的高純鍺探測(cè)器，而稍稍在外面的一段空間則用來安裝上海交通大學(xué)的液氙探測(cè)器,。我國(guó)本土的暗物質(zhì)直接探測(cè)，終于邁出了第一步,。這件事情在兩年前進(jìn)行論證時(shí)好象還遙不可及,，甚至不清楚到底能否搞起來，然而現(xiàn)在地下實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始了屏蔽層的安裝工作,，進(jìn)展之迅速,，令人目不暇接。 

這次我懷著非常激動(dòng)的心情,，隨川大和清華的同事們一起，去錦屏山參觀了建設(shè)中的地下實(shí)驗(yàn)室,。置身期間,，覺得實(shí)驗(yàn)空間相當(dāng)充足，與在圖紙上看的感覺頗有不同,。另一方面,，西昌特別是錦屏山風(fēng)景秀美、交通方便,，生活條件也相當(dāng)不錯(cuò),。錦屏山水電站規(guī)模宏大、氣象萬千,，建成后提供將大量的清潔能源,，也讓人過目難忘。 

祝愿從事暗物質(zhì)直接探測(cè)的同事們?cè)缛杖〉贸晒Γ?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; word-wrap: break-word; "> 

雅礱江和錦屏山

 

地下實(shí)驗(yàn)室

 

錦屏山風(fēng)景

 

電站水壩模型,。壩高305米,，建成后將成為世界最高的水壩