“我们已经接近发现暗物质的边缘”

什么是暗物质？普通人对它的直观认识多来自科幻作品。在电影《变形金刚》中，机器人“禁闭”所驾驶的飞船就是由它驱动进行星际航行的。

在刚刚斩获世界科幻文坛最高奖的小说《三体》里，它是太阳系遭受高级外星文明攻击后的隐形残骸。

这些奇幻创作的科学依据就来自人类久寻不得的“暗物质”。全球最深的暗物质探测实验室——中国锦屏地下实验室，地处四川南部地底深处，在那里，一批中国科学家正寻找目前还是理论存在的暗物质，希望觅得被科学界称为“宇宙幽灵”的蛛丝马迹。

暗物质

份额远超人类可看到的物质

十多年前，美国国家研究理事会将“什么是暗物质”列为21世纪与宇宙相关的重大前沿科学问题之首。“暗物质这么被大家‘惦记\’，因为它涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题。”上海交通大学物理与天文系特别研究员刘江来说。

据悉，科学家曾尝试用力学和光度两种不同的方法测量整个宇宙的质量。令人惊讶的是，两者结果差异巨大。就好像分别用度量准确的杆秤和电子秤称量同一个苹果，结果却出现了数量级差异。换句话说，在现有的理论框架下，如果仅有肉眼可见的物质，是无法维持宇宙运行的。进一步说，如果没有暗物质，星系早已分崩离析，四散奔逃。

迄今的研究和分析表明，暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质，通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5％。暗物质涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题。“与百年之前相对论和量子力学即将诞生时类似，现在人类对物质世界的认识又一次处在了十字路口。毫不夸张说，找到并研究暗物质，将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论以及量子力学之后，人们认识宇宙的又一次重大飞跃。”清华大学工程物理系副教授岳骞说。

但这个超出普通人认知的物质真的存在？或者能被探测？

季向东说：“暗物质跟普通物质几乎不相互作用，所以探测它十分困难。”

探测

在黑暗的地底探寻星空的奥妙

在搜寻暗物质的道路上，目前主要有3种方法：一是利用粒子对撞产生暗物质观察其衰变的产生实验，主力设备是欧洲核子中心的大型强子对撞机。二是基于暗物质湮灭产生反物质的原理在太空进行的湮灭实验。三是测量暗物质散射至液体或固体的散射实验。目前中国锦屏地下实验室的两个实验组均属第三类。

存在于宇宙中的暗物质，为何要到地下探测？

刘江来把暗物质比作宇宙中的“雾霾”，地球则是在“雾霾”中行驶的汽车，“雾霾”中的颗粒撞击汽车就会发出“响声”，实验探测器的任务就是把这种“响声”记录下来。

探测实验的主要困难就是宇宙线以及地球上无处不在的放射性，要尽最大可能排除其对实验本底的干扰。用刘江来的话说，就是“去掉‘汽车和周边环境产生的各种声音\’”。

暗物质的“声音”有多小？“就好像听众坐在第一排听音乐会，还要听清30米外一只蚊子的嗡嗡声。”刘江来比喻说。

锦屏地下实验室对“滤声”而言，条件得天独厚。实验室深度为全球同类实验室中最深，上方2．4公里厚的岩石层可拦截大部分穿透力极强的宇宙射线，使其数量降至地面水平的亿分之一。同时地下岩洞构成岩石主要是大理石，不存在多少辐射材料，且远离会导致错误信号的辐射源。

2010年，这座实验室投入使用，目前有两个中国科学家牵头的实验组进驻，包括上海交通大学牵头组织的PandaX实验和清华大学主导的CDEX实验。

世界前沿科学

中国追赶上第一队列

全世界最深的暗物质探测实验室、中国锦屏地下实验室二期扩建进展顺利……

中国“天眼”、世界最大单口径球面射电望远镜反射面单元面板开始拼装……

世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的“暗物质粒子探测卫星”将于年底在酒泉择机发射……

近期，一批来自中国的科研计划不断聚焦“宇宙幽灵”——暗物质。在寻找暗物质的道路上，中国身影越来越多。

尽管每前进一步都很艰难，但过去五年里，我国在暗物质暗能量研究领域依然取得了跨越式发展。

2014年，CDEX实验组得到了目前该类探测器在国际上最灵敏的实验结果，进一步缩小了暗物质可能存在的区域。PandaX实验组也于同年公布了一期实验获得的首批数据，对以往国际上所有发现的疑似轻质量暗物质信号提出了质疑。

为把物理学“乌云”真变成“彩虹”，世界各国一直在“赛跑”。暗物质的探测实验已经在多个国家的地下实验室中开展了近20年，技术也日趋成熟。目前PandaX实验二期扩建接近完成，核心区液氙规模进一步扩大。

季向东表示，随着灵敏度的提升，中国人有望率先找到理论预言的暗物质粒子。“我们已接近发现暗物质的边缘，我们想要证明，世界前沿科学之首的问题，由中国人给出答案。”

（据新华社）

在中国锦屏地下实验室的清华大学主导的CDEX实验组，研究人员江灏在查看实验设备运行情况

在中国锦屏地下实验室的上海交通大学牵头组织的PandaX实验组，研究人员赵力在检查实验设备

在中国锦屏地下实验室拍摄的上海交通大学牵头组织的PandaX实验所用设备

在中国锦屏地下实验室拍摄的上海交通大学牵头组织的PandaX实验所用设备上贴的“PandaX”字样的贴纸

这是锦屏山隧道。中国锦屏地下实验室便在这隧道中部，上方是巍巍锦屏山（2014年12月24日摄）

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