地心“熊貓”的誕生

科學家認為，人類的身邊游離著數(shù)量眾多的暗物質(zhì)，看不見、摸不著，總量大約是常規(guī)世界物質(zhì)的6倍。過去十多年，許多科學家窮盡各種實驗方法，試圖與占據(jù)宇宙質(zhì)量85%的暗物質(zhì)“接觸”。這是全世界公認的人類21世紀最重要的科學問題之一，所有的實驗合作組都期望率先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的信號。

2009年以前，中國本土的暗物質(zhì)研究還是一片空白。改變始于錦屏山。2008年8月8日，北京奧運開幕當天，錦屏山交通配套隧道貫通。得知這一消息的物理學家們興奮了，他們敏銳地感到，中國缺乏開展暗物質(zhì)研究條件的歷史，或許將被改寫。

2009年3月17日，季向東第一次來到錦屏山。那時錦屏山隧道剛貫通半年多，洞壁一直在冒水。穿著長雨靴，深一腳淺一腳，季向東進了隧道。那天，一行共7人，現(xiàn)任上海交通大學校長的林忠欽院士帶隊，還有清華大學、中科院、美國普林斯頓大學、加州大學洛杉磯分校的幾位教授。

站在隧道中間，頭頂上是厚達2400多米的山體。整條隧道70%以上的部分，埋深大多在1500米以下。在極深的地下，絕大多數(shù)宇宙射線被隔離，巖層越厚，屏蔽效果越好，實驗環(huán)境也越純凈，隧道巖層所含的放射性之低也出乎意料——錦屏山底是暗物質(zhì)探測的絕佳寶地。

興奮，激動，熱望，在泥漿滿地的煤黑色隧道中央，雅礱江流域水電開發(fā)有限公司和清華大學共建中國首個極深地下實驗室，“PandaX”計劃隨之起步。

季向東說，起名“熊貓計劃”，一來錦屏山所在的四川是熊貓的家鄉(xiāng)，二來也是一個有趣的巧合——“粒子和天體物理氙探測器”(Particle AND Astrophysical Xenon Detector)的英文簡寫里本來就有這幾個字母。實驗原理是用提純的惰性元素氙(Xe)作為“靶子”來尋找暗物質(zhì)，由上海交通大學牽頭，國內(nèi)多個合作單位包括北京大學、山東大學、中科院上海應用物理研究所、中山大學、中國科學技術大學、中國原子能科學研究院和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等共同參與。

PandaX項目的出現(xiàn)，對世界上液氙暗物質(zhì)直接探測領域進行了“重新洗牌”——這一領域最有影響力的實驗主要是在意大利Gran Sasso國家地下實驗室進行的XENON暗物質(zhì)實驗、美國南達科他州的大型地下氙項目LUX，以及中國錦屏山實驗室的PandaX項目。早在2014年Pandax項目取得首個結果時，《科學》雜志就以《探索暗物質(zhì)，中國團隊迎頭趕上》為題，進行了報道。

與世界“賽跑”

暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)之間極有可能存在微弱的相互作用，物理學家通過探測這種作用來尋找暗物質(zhì)。

今年8月，季向東在美國舉行的2017年度國際高能粒子天體物理大會上，宣布了PandaX項目合作組最新暗物質(zhì)探測實驗結果，再次刷新對暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀錄。這是PandaX繼2016年7月發(fā)布580公斤級探測儀的首個探測結果后，第二次發(fā)布國際最靈敏暗物質(zhì)探測結果。

季向東介紹，PandaX實驗用氙原子作為“靶子”，探測彌散在地球周圍的成千上萬億的暗物質(zhì)粒子可能碰撞到氙原子上而發(fā)生的微弱光電信號。“我們把氙氣高度提純，在-100℃的低溫下使它成為液體，制作成液氙探測器。在首個PandaX實驗中，使用了一個由聚乙烯、鉛及高純銅組成的100噸屏蔽體屏蔽掉山洞巖石的放射性，研發(fā)了一個120公斤級的液氙探測器。”季向東說，所有的實驗過程都是“摸著石頭過河”，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗，遇到了很多意想不到的困難，這一路都是在不斷的失敗和嘗試中走過來的。

理論上講，“森林”里的“樹”越多，捕獲“兔子”的可能性就越大。在2014年完成120公斤級“熊貓一期”探測儀的基礎上，PandaX合作組自主研制了580公斤的“二期”探測儀。后者是目前國際上最大的暗物質(zhì)直接探測儀器之一，也是靈敏度更高、“樹木”更多的“密林”。2016年7月21日晚，在英國舉行的兩年一度的國際暗物質(zhì)大會上，季向東向全球同行公布了PandaX二期液氙暗物質(zhì)探測器運行的第一個物理結果，在每天3.3萬公斤的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，對可能的暗物質(zhì)候選對象得出了最新限制。這一探測的靈敏度處于當時世界最高水平。

隨后的一年里，PandaX二期合作組對該探測儀進一步降低噪音，并進行了長時間運行，使探測器對暗物質(zhì)和普通物質(zhì)相互作用的探測靈敏度提高了3倍多。為了盡快發(fā)布探測結果，上海交通大學劉江來教授帶領多位研究人員通宵達旦工作，發(fā)布的探測結果再一次刷新對暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀錄。

三支“國家隊”共探“幽靈粒子”

“盡管我們目前還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡，但這些實驗結果使暗物質(zhì)的輪廓越來越清晰，我們正處在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣。”季向東表示。

在錦屏山的隧道中央，清華大學牽頭的CDEX研究計劃也在持續(xù)進行，他們選擇了高純度鍺作為“靶子”，提出利用極低能量閾高純鍺探測器探測較低質(zhì)量范圍的暗物質(zhì)粒子的研究計劃。

2015年12月，由紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文研究部和中國科技大學、中科院蘭州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等合作研發(fā)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，標志著中國正式進入暗物質(zhì)空間探測領域。如今，“悟空”正在陸續(xù)產(chǎn)出科研成果。

這三個項目是目前中國暗物質(zhì)探測的主要科研團隊。在與世界“賽跑”的同時，中國的暗物質(zhì)“捕手”后來者居上，不斷刷新“世界紀錄”，領跑暗物質(zhì)探測的國際前沿。

“中國的三支暗物質(zhì)探測隊伍雖然使用了不同的探測途徑，但都在各自實驗的基礎上取得了非常好的成果。”季向東說，“在未來的時間里，PandaX項目打算進行4噸級液氙探測器探測實驗，甚至聯(lián)合世界科學家進行30噸級液氙探測器的大型實驗，一步一步將實驗向前推進，相信會有樂觀的結果產(chǎn)生。”

“暗物質(zhì)研究的意義非常重大，中國的科學家有能力為人類探索未知宇宙做出自己的努力。”季向東說。(記者 顏維琦 通訊員 江倩倩)