“中國錦屏地下實驗室”示意圖制圖：許青天

這個世界，還有很多未解之謎。宇宙中，人類可見可知的物質(zhì)成分只占4%左右，還有27%左右是未見未知的暗物質(zhì)，另外七成左右則是同樣神秘的暗能量。昨天，中國科學(xué)家主導(dǎo)的大型暗物質(zhì)探測“熊貓計劃（PandaX）”實驗組，在上海交大發(fā)表了立項4年來的首批物理數(shù)據(jù)。這項在四川2000多米深洞中開展的實驗，目前尚未找到暗物質(zhì)的任何蹤影，同時對之前國際上發(fā)現(xiàn)的疑似暗物質(zhì)信號提出質(zhì)疑。人們不禁要問，地球上真有暗物質(zhì)嗎？

每秒上億暗原子穿身而過

長期以來，全世界的物理和天文學(xué)家通過大量天文觀測，推斷出宇宙中暗物質(zhì)的成分占比極大，它們與普通物質(zhì)一樣具有質(zhì)量，卻與普通物質(zhì)不發(fā)生電磁作用和強相互作用。因此，暗物質(zhì)可以在普通物質(zhì)中穿梭來往，幾無阻攔。在人類所在的銀河系，暗物質(zhì)更是比普通物質(zhì)多20倍以上。可以說，地球以及太陽系在整個銀河系暗物質(zhì)的“霧霾”中運動，暗物質(zhì)隨時都在輕易地穿越地球和太陽。

近年來，人類在發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”過程中運用了高能粒子對撞機(jī)制，在稍縱即逝的撞擊“火花”中，捕捉最后一種未被實驗證明的粒子。然而，這種“上帝粒子”配上了諾獎，人們建立的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型也已完備，卻仍無法作出對暗物質(zhì)粒子的解釋。

本世紀(jì)以來，國際上相繼開展了20多個暗物質(zhì)探測實驗，也就是期待暗物質(zhì)的“暗原子”把探測器中的“靶原子”撞飛。項目負(fù)責(zé)人、上海交大物理和天文系季向東教授用“守株待兔”來形容實驗—他解釋稱，事實上每秒鐘大約有上億個暗物質(zhì)原子穿透我們的身體，但人體內(nèi)的原子數(shù)量達(dá)1億億億個，也就是10的23到24次方，因此一天中體內(nèi)某個原子被撞到的概率不足一次。更何況，暗物質(zhì)穿身而過的速度達(dá)每秒220公里左右。

實驗尚未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)信號

即使暗物質(zhì)與物質(zhì)的原子撞到了，也只產(chǎn)生極其微弱的光電信號，且必須被及時探測并捕獲。而在地面上，看不見、摸不著的各種宇宙射線，對這樣的“暗物質(zhì)捕手”造成極大的背景輻射干擾。為屏蔽繁雜的粒子撞擊信號，實驗不得不深入地下。

“熊貓計劃”實驗正是在世界最深的四川錦屏山地下實驗室進(jìn)行的。這一實驗場所由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司于2010年聯(lián)合開發(fā)，在隧道工程建設(shè)中利用了一個約2400米深的人工井。山洞上方被深厚巖石層所覆蓋，阻擋外界信號。

PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”的英文簡寫，以惰性元素氙（Xe）作為探測媒介。實驗由上海交大牽頭組織，合作組包括中美6家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)在內(nèi)，首期使用了約120公斤的液態(tài)氙作為“靶子”。在今年5月開始的暗物質(zhì)探測數(shù)據(jù)中，探測器記錄了約400萬個粒子撞擊事例，在暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的“能量區(qū)”大約有1萬個事例，而在探測器最“安靜”的中心—37公斤液氙中只有46個事例。通過與放射源的定標(biāo)比較，這最后的46個事例全部來自放射性本底，沒有暗物質(zhì)留下的痕跡。

季向東分析認(rèn)為，120公斤級液氙探測器的靈敏度已達(dá)世界先進(jìn)水平，能對至今為止所有暗物質(zhì)探測實驗獲得的疑似數(shù)據(jù)信號進(jìn)行高精度驗證。從現(xiàn)在的測量結(jié)果看，近幾年意大利、美國、德國等國開展的4項實驗，發(fā)現(xiàn)的均為疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號，而人類最可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的“能量區(qū)”應(yīng)是實驗還未涉及的重質(zhì)量信號區(qū)。

世界最大探測器明年建成

“熊貓計劃”是中國開展的首個百公斤級大型暗物質(zhì)實驗，而更大能級的實驗才可能捕獲真正有價值的暗物質(zhì)線索。據(jù)了解，實驗成功的關(guān)鍵在于近十年來發(fā)展極為迅速的液氙探測技術(shù)。歐美在這項技術(shù)上正在加大投入，比如世界上處于運行狀態(tài)的最大液氙探測器就是美國250公斤級的LUX探測器，它位于美國南達(dá)科他州地下礦井中，而我國實驗的探測規(guī)模僅次于它。

在首次排除較輕質(zhì)量的疑似暗物質(zhì)信號后，“熊貓計劃”PandaX正在建造一個500公斤液態(tài)氙的探測器，計劃明年建成，屆時“半噸級”實驗將是世界最大規(guī)模。其靈敏度可比現(xiàn)有裝置放大20倍左右，并可進(jìn)入重質(zhì)量暗物質(zhì)信號區(qū)進(jìn)行搜索，覆蓋這一“能量區(qū)”的一半面積。季向東表示，隨著能級提升，“熊貓計劃”有望找到理論預(yù)言的、較重質(zhì)量的一類暗物質(zhì)粒子，將人類對宇宙萬物的認(rèn)識進(jìn)一步推向深入。