文 | 京畿部長(zhǎng)

人類對(duì)于世界和宇宙的好奇心向來(lái)旺盛,，對(duì)此建立了很多實(shí)驗(yàn)室來(lái)發(fā)現(xiàn)未知的奧秘,。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室而言大家想必都不陌生，但說(shuō)起地下實(shí)驗(yàn)室很多人就知之甚少了,。由于一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要極為復(fù)雜的環(huán)境,，而地表上又無(wú)法滿足這些條件，于是科學(xué)家們就把眼光放到了地底,，建立了地下實(shí)驗(yàn)室,。這些實(shí)驗(yàn)室有各種各樣的研究目的，在如今世界上現(xiàn)存的地下實(shí)驗(yàn)室中,，中國(guó)的錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室,，是世界上巖石覆蓋最深也是最大的實(shí)驗(yàn)室，而它的主要研究目的,，就是找到暗物質(zhì),。

暗物質(zhì)

宇宙中有著各種各樣的粒子和能量，它們不同于我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中能看到的物質(zhì),。我們?cè)谌粘Ｉ钪心芸匆?jiàn)和感覺(jué)到的各種物質(zhì),，有一個(gè)共同性就是都攜帶電子，有了電子它們就能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng),，而電磁場(chǎng)的相互作用就能夠讓你感知到這些物質(zhì)的存在,。

而與之相反的,，有些物質(zhì)是不帶電子的，沒(méi)有電子就缺少了電磁場(chǎng)的相互作用,，導(dǎo)致它們很難被看到和感知,，但你不能否認(rèn)他們的存在，比如暗物質(zhì),。而發(fā)現(xiàn)它們,，就需要一定的技術(shù)條件和手段了。

1915年,，愛(ài)因斯坦認(rèn)為宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少,。也就是說(shuō)宇宙是有限封閉的。如果是這樣,，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10的負(fù)30次方克,。但是，迄今可觀測(cè)到的宇宙的密度,，卻比這個(gè)值小100倍,。也就是說(shuō)，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了,，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”,，其實(shí)也不是失蹤，是我們沒(méi)有觀測(cè)到罷了,。

現(xiàn)代科學(xué)研究表明,，宇宙中暗物質(zhì)占全部物質(zhì)總質(zhì)量的80%以上。暗物質(zhì)粒子無(wú)處不在,，但人體卻無(wú)知無(wú)覺(jué),。也只有最精密的儀器，才可能捕捉到它與原子核碰撞產(chǎn)生的微弱信號(hào),。暗物質(zhì)最重要的一點(diǎn)是,，它促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，可以說(shuō)如果沒(méi)有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系,、恒星和行星,，也更談不上今天的人類了。

所以研究暗物質(zhì)意義重大,，價(jià)值非凡,。如果暗物質(zhì)的研究一旦有所突破，不僅將可能改變?nèi)祟悓?duì)于宇宙,、天體形成和運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí),，它還可以衍生和運(yùn)用到更廣的領(lǐng)域，例如,，氣候,、能源等諸多世界級(jí)生存難題,，甚至改變?nèi)祟悓?duì)原有的時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)，那將是近幾十年以來(lái)最為重要的物理學(xué)研究成果,。

▲在太空中運(yùn)行的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星,。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院

所以說(shuō)到底，如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì),，就不能說(shuō)了解了宇宙，也就不能把握人類的未來(lái)?，F(xiàn)在已經(jīng)知道的暗物質(zhì)是中微子和黑洞,。但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分還不清楚,。所以還需要進(jìn)一步去找到和研究暗物質(zhì)的蹤跡,。

挖洞

不同于一般的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，要找到并觀測(cè)暗物質(zhì)在地表是很難實(shí)現(xiàn)的,。我們目前能夠直接探測(cè)到暗物質(zhì)的方法,，就是讓原子核與暗物質(zhì)發(fā)生碰撞，通過(guò)探測(cè)碰撞產(chǎn)生的信號(hào),，來(lái)研究暗物質(zhì),。

但暗物質(zhì)的觀測(cè)環(huán)境很苛刻。在地表,，宇宙射線和生活輻射會(huì)嚴(yán)重干擾到暗物質(zhì)的探測(cè),，即使有時(shí)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(hào)會(huì)因?yàn)檫@些干擾而無(wú)法被鑒別到,。而在極低輻射的地下,，可以最大程度地屏蔽宇宙射線等的影響，讓探測(cè)器探測(cè)到有效的信號(hào),，讓這個(gè)方法奏效,。于是有志研究暗物質(zhì)的各國(guó)都開(kāi)始挖洞，建立自己的地下試驗(yàn)所,。

最早建立地下實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家有美,、英、法,、意大利,、加拿大、日本,、印度,、俄羅斯，且都取得重大的科研成果,。從深度來(lái)說(shuō),，意大利的國(guó)家格蘭莎索實(shí)驗(yàn)室建造在地下1400米深處,，美國(guó)的桑德福研究所位于地下1500米深處。而我國(guó)的棉屏山實(shí)驗(yàn)室建設(shè)于2010年,，位于地下垂直深度2400米,，是目前世界上巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室，也是觀測(cè)環(huán)境最好的地下實(shí)驗(yàn)室,。

▲中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室

地下實(shí)驗(yàn)室之所以有效,，關(guān)鍵就在于巖石層。

評(píng)價(jià)一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室性能的最重要的參數(shù),，就是實(shí)驗(yàn)室的宇宙射線通量水平,。通常在地面每秒每平方米大約有100多個(gè)宇宙射線，海拔越高,，宇宙射線越高,。而巖石的天然放射性特別低，錦屏實(shí)驗(yàn)室的垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400多米,，這個(gè)深度已經(jīng)把宇宙射線屏蔽的含量很少了,，不僅物理屏障，實(shí)驗(yàn)室還采用了人工屏蔽方法,。在這種條件下獲得的關(guān)于暗物質(zhì)研究的數(shù)據(jù),，可以說(shuō)是最準(zhǔn)確權(quán)威的，也讓我國(guó)的暗物質(zhì)研究極具參考價(jià)值,，走到了世界前列,。

▲示意圖

而這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，不僅有我國(guó)的研究人員在工作,，不少國(guó)外團(tuán)隊(duì)也申請(qǐng)將自己的科研項(xiàng)目整體移到錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中,。

探測(cè)

暗物質(zhì)探測(cè)主要有三種方法，直接探測(cè),，間接探測(cè)和加速器實(shí)驗(yàn),。

前兩者是探測(cè)暗物質(zhì)對(duì)互相碰撞、湮滅時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子,，后者是利用加速器將標(biāo)準(zhǔn)模型粒子加速到高能量后對(duì)撞,，通過(guò)測(cè)量對(duì)撞丟失的能量來(lái)反推暗物質(zhì)的各種性質(zhì)。

▲關(guān)于暗物質(zhì)的電腦模擬圖,。該圖演示了不可見(jiàn)暗物質(zhì)是如何在光環(huán)中結(jié)合的

錦屏實(shí)驗(yàn)室采用的是直接探測(cè)的方法,，就是測(cè)量暗物質(zhì)粒子直接碰撞普通物質(zhì)引起的反沖核的數(shù)量和能量。實(shí)驗(yàn)室利用的是重約10千克的極低能量閾高純鍺陣列探測(cè)器,，開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究,，探測(cè)質(zhì)量在1GeV-1000GeV以上較寬質(zhì)量范圍內(nèi)的暗物質(zhì)分布狀態(tài)。目前在10GeV以下暗物質(zhì)質(zhì)量空間范圍內(nèi)，已經(jīng)得到國(guó)際上最好的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度,。為我國(guó)未來(lái)開(kāi)展“噸”量級(jí)大規(guī)模暗物質(zhì)質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn),，奠定地下實(shí)驗(yàn)室條件、探測(cè)技術(shù),、研究隊(duì)伍等方面的基礎(chǔ),。

雖然到目前，暗物質(zhì)還沒(méi)有被找到,，但它的藏身范圍,，已經(jīng)越來(lái)越小了。相信在未來(lái)暗物質(zhì)也會(huì)像黑洞一樣被人們拍到,，找到,，讓我們共同期待這一天的到來(lái)。

粒子物理探求的是物質(zhì)最深層次的奧秘,。就像電被發(fā)明時(shí)，人們都無(wú)法想象后來(lái)的電視,、電腦一樣,，暗物質(zhì)的研究， 將會(huì)推動(dòng)重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究和應(yīng)用,，全人類都將由此受益,。而隨著人們的重視和投入，我想人類距離“暗物質(zhì)是什么”這個(gè)答案,，也不會(huì)太遠(yuǎn)了,。