大国重器：中国暗物质“捕手”后来居上

潘达三号计划的示意图旨在测量“氙136的无中微子双β衰变”。

新华社

最近，暗物质粒子探测卫星悟空发表了它的第一篇科学论文，为暗物质观测打开了一扇新的窗户。事实上，在暗物质探测领域，中国不仅在空间探测方面取得了一些成就，而且在地面探测方面也取得了显著的成就。从中国的暗物质探测实验“潘达克斯”获得的数据已经多次成为世界上最好的结果。位于四川凉山彝族自治州的金平山脚下，地下深处覆盖着2400多米的岩石，科学家们正在捕捉暗物质存在的最直接证据，不断刷新对暗物质粒子性质的限制记录，为人类探索自然奥秘贡献力量。

在中国四川省2400米深的锦屏山内，中国第一个地下深层实验室的大型暗物质探测器日夜运行。

“如果把探测器中的原子比作森林，暗物质粒子就是成群结队奔跑并呼啸而过的兔子。一个或几个盲人迎面撞上一棵树并被农民抓住是不可避免的。”上海交通大学的弘文教授和潘达克斯项目的负责人吉祥东向我们介绍了锦屏山深埋隧道中正在进行的潘达克斯项目。

从2014年3月23日至今，PandaX已经连续运行了三年零六个月。在2016年和2017年的两年中，PandaX发布的数据是当年世界上最好的检测结果。“不断提高仪器的灵敏度，有一天我们可能会探测到暗物质。对暗物质本质的研究将使人类的认知发生飞跃。”季向东说:“即使有一天我们不能探测到暗物质，对暗物质的研究最终将会更新人类对世界的认识。”

地心“熊猫”的诞生

科学家们认为，人类周围漂浮着大量的暗物质，它们是不可见的，也是不可触及的。总数大约是传统世界的6倍。在过去十年左右的时间里，许多科学家已经用尽了各种实验方法，试图与占宇宙质量85%的暗物质“接触”。这是21世纪世界公认的最重要的科学问题之一。所有的实验合作小组都希望第一个发现暗物质粒子的信号。

2009年以前，中国对暗物质的研究还是空白。变化始于锦屏山。2008年8月8日，北京奥运会开幕当天，锦屏山交通配套隧道竣工。得知这一消息的物理学家很兴奋。他们敏锐地感觉到，中国缺乏暗物质研究条件的历史可能会被改写。

2009年3月17日，吉祥东第一次来到锦屏山。当时，锦屏山隧道刚刚建成半年多，洞壁已经冒泡。季向东穿着一脚深一脚浅的雨靴走进了隧道。当天，由现任上海交通大学校长林忠钦院士以及清华大学、中国科学院、普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校的几位教授带领的中*员共7人。

站在隧道*，头顶上是一座2400多米厚的山。整个隧道的70%以上埋在1500米以下。在地下深处，绝大多数宇宙射线是孤立的。岩石层越厚，屏蔽效果越好，实验环境越纯净。隧道岩层中的放射性出乎意料地低。锦屏山底部是探测暗物质的绝佳宝藏。

激动、激动、渴望，在泥泞的黑煤巷*，雅砻江流域水电开发有限公司和清华大学共同建设了中国第一个深部地下实验室，“潘达克斯”计划启动。

季向东说，“熊猫工程”的名字首先是熊猫的故乡——锦屏山所在的四川，其次是一个有趣的巧合——“粒子和天体物理氙探测器”的英文缩写中原本有这些字母。实验原理是在北京大学、山东大学、上海应用物理研究所、中国科学院、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等国内合作单位的共同参与下，以提纯的惰性元素氙(Xe)为“目标”寻找暗物质

潘达克斯项目的出现“重组”了世界上对液态氙暗物质的直接探测——这一领域最有影响的实验主要是意大利格兰萨索国家地下实验室进行的氙暗物质实验、美国南达科他州大型地下氙项目LUX以及中国金平山实验室的潘达克斯项目。早在2014年潘达项目的第一个成果，《科学》杂志就报道了“探索暗物质，中国团队迎头赶上”的主题。

与世界“赛跑”

暗物质粒子和普通物质之间很可能存在微弱的相互作用。物理学家通过探测这种相互作用来寻找暗物质。

今年8月，吉祥东在美国举行的2017年国际高能粒子天体物理会议上宣布了潘达克斯项目合作团队的最新暗物质探测结果，再次创下了限制暗物质粒子性质的新世界纪录。继2016年7月发布第一批580千克探测器的探测结果后，这是潘达克斯第二次发布世界上最敏感的暗物质探测结果。

季向东介绍说，PandaX实验使用氙原子作为“目标”，来探测当散布在地球周围的数十亿暗物质粒子可能与氙原子碰撞时产生的微弱光电信号。“我们对氙进行了高度纯化，并将其在-100℃下制成液态氙检测器。在第一次PandaX实验中，使用了一个由聚乙烯、铅和高纯度铜组成的100吨屏蔽罩来屏蔽洞穴岩石的放射性，并开发了一个120公斤的液态氙探测器。季向东说，所有的实验过程都是“摸着石头过河”。没有现成的经验，遇到了许多意想不到的困难。一路走来，经历了不断的失败和尝试。

理论上，“森林”中的“树”越多，捕捉“兔子”的可能性就越大。在2014年完成120公斤“熊猫一期”探测器的基础上，熊猫合作集团自主研发了580公斤“熊猫二期”探测器。后者是目前世界上最大的直接暗物质探测仪器之一，也是一个具有更高灵敏度和更多“树”的“密林”。2016年7月21日晚，在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上，吉祥东向全球同行宣布了潘达克斯二期液态氙暗物质探测器的首个物理结果。在每天33000公斤的暴露量下，没有发现暗物质粒子的痕迹，这为可能的暗物质候选物设置了最新的限制。这种检测的灵敏度当时处于世界最高水平。

次年，潘达克斯二期合作团队进一步降低了探测器的噪声，并进行了长期运行，使探测器对暗物质和普通物质相互作用的探测灵敏度提高了三倍以上。为了尽快公布检测结果，上海交通大学的刘教授带领几名研究人员通宵工作。公布的探测结果再次创造了限制暗物质粒子性质的世界纪录。

三个“国家队”探索“幽灵粒子”

“虽然我们还没有发现任何暗物质的痕迹，但是这些实验结果已经使暗物质的轮廓越来越清晰。我们正处于发现暗物质的边缘。”吉祥东说。

在锦屏山隧道的中间，清华大学领导的CDEX研究项目也在继续。他们选择了高纯度锗作为“目标”，并提出了一个研究计划，使用一个非常低能量阈值的高纯度锗探测器来探测较低质量范围内的暗物质粒子。

2015年12月，由紫金山天文台暗物质与空间天文研究部、中国科学技术大学、中国科学院兰州现代物理研究所和中国科学院高能物理研究所联合研制的暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，标志着中国正式进入暗物质空间探测领域。今天，“悟空”正在陆续产生科研成果。

这三个项目目前是中国暗物质探测的主要研究团队。在与世界“赛跑”的同时，中国的暗物质“捕捉者”已经领先于世界，不断创造“世界纪录”，引领着暗物质探测的国际前沿。

“尽管中国的三个暗物质探测小组使用了不同的探测方法，但他们都在自己的实验基础上取得了非常好的结果。”季向东说:“未来，潘大克斯项目计划与世界科学家合作进行一项4吨液态氙探测器探测实验，甚至一项30吨液态氙探测器的大规模实验。实验将一步一步地推进，我相信会产生乐观的结果。”

“暗物质的研究意义重大。中国科学家有能力为人类探索未知的宇宙做出自己的努力。”吉祥东说。

(我们的记者和我们的记者江)