中国科学报：于“最深最黑”处趋近暗物质

■我们的记者王梓霏

在21世纪现代物理学和天文学的晴空中，暗物质和暗能量被称为“两朵乌云”。在宇宙的构成中，已知物质占不到宇宙的5%，而暗物质的比例几乎是已知物质的五倍。

自从20世纪30年代加州理工学院的弗里兹·兹维奇首次提出暗物质的可能性以来，人类已经开始获得越来越精确的宇宙学数据，并且正在接近暗物质的存在。

理解暗物质是21世纪科学旅程中的一大挑战。2002年，美国国家研究委员会的一份报告列出了新世纪需要回答的11个科学问题，其中“什么是暗物质”的研究排名第一。2008年，欧洲粒子天文学路线图列出了七个重要领域，暗物质排名第一。

2014年，寻找暗物质仍然是物理学研究的前沿和热点。近年来，中国科学家也为探测暗物质做了精心的安排。

2009年，科技部将暗物质和暗能量研究纳入国家“973”计划的前沿交叉领域。在中国科学院发表的《科学技术与中国未来》系列战略研究报告中，暗物质和暗能量被列为可能带来革命性突破的基本科学问题之一。

实现“最深最黑暗的梦想”

从准备到运行，四川锦屏地下实验室一直是世界关注的焦点。

因为它们不发出任何光或电磁辐射，科学家只能通过重力的作用知道暗物质的存在。利用探测器直接探测暗物质粒子和原子核碰撞产生的信号的地下实验是目前发现暗物质粒子最重要的探测方法。

“暗物质粒子和原子核碰撞的可能性很小，产生的信号也很弱。”清华大学领导的中国CDEX合作小组是国内地下实验的代表。清华大学工程物理系副教授钱月说，将探测器置于地下深处可以大大减少宇宙射线与探测器碰撞产生的背景信号。

在金平地下实验室建成之前，钱月等人不得不在国外开展暗物质研究。对他们来说，在这个国家找到一个位置并作为他们的主人进行研究是他们“最深最黑暗的梦想”。

多年来，钱月一直在做的一件事就是在中国寻找“漏洞”。钱月和他的同事去过煤矿和隧道，但是他们没有找到理想的地点。

“是的，这并不意味着它可以被使用。”探测暗物质的条件非常苛刻。“这需要一个非常干净的空间，没有大的振动，没有太多的宇宙射线粒子，没有太多的放射性，以及方便的运输。”清华大学副校长、中国金平地下实验室主任程建平说。

直到2008年，钱月在电视上看到了锦屏水电站锦屏隧道竣工的消息。“这不是我们要找的洞吗？岩石埋藏深度大，宇宙射线通量极低，天然岩石背景低，交通便利，配套设施完善！”钱月和其他人非常兴奋。

2009年5月8日，清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署战略合作协议，共同建立中国金平地下实验室。

2010年底，锦屏地下一期实验室投入运行。锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖面积为2400米，是世界上最深的地下实验室。它被称为寻找暗物质的“最干净的地方”。

当时，《科学》杂志发表了一篇文章，称中国科学家希望“最深刻、最黑暗的梦想”成为现实。

五年的探索取得了丰硕的成果。

如果将暗物质粒子比作存在于无尽海洋中的鱼，那么找到鱼就是找到暗物质的过程。

清华大学的“钓鱼”工具是“高纯锗探测器”。早在2003年，实验组就首次提出了用极低能量阈值高纯锗作为探测器来直接探测暗物质的想法。锗是一种优秀的半导体材料。最大化锗的纯度可以有效地消除探测器本身的放射性干扰。

如今，CDEX合作集团开发的1 kg点电极高纯锗单元探测器是国际点电极高纯锗探测器中最灵敏的探测器系统。

今年11月11日，国际著名杂志《物理评论》发表了合作小组的研究成果。这些结果进一步缩小了暗物质的存在范围，推翻了近几年来强有力的暗物质实验小组关于“已经发现了暗物质存在范围”的结论。后者让全世界的科学家兴奋不已。

皇家科学院院士、欧洲粒子物理研究所(CERN)理论教授约翰·埃利斯(John Ellis)在评论这一结果时说:“在暗物质搜索过程中，特别是在近年来实验结果相互矛盾的轻质量暗物质区域，中国暗物质实验合作小组的新实验结果已经达到国际前沿水平。”

事实上，CDEX团队只是中国暗物质研究团队的一部分。

2010年，国家“973”计划“暗物质和暗能量的理论研究和实验预研究”启动。该项目对中国暗物质研究进行了科学布局，包括六个主题，CDEX合作小组是其中之一。

该项目首席科学家、中国科学院院士吴月良告诉记者，该项目已于今年顺利完成，其他五个课题取得了非常理想的成果。

"当这个项目第一次被批准时，我们非常担心。"吴月亮说，与国外相比，中国对暗物质的研究起步较晚，但现在看来，双方似乎站在同一起跑线上。

今年的主题之一，由上海交通大学领导的潘达克斯实验小组，已经使用了120公斤的液体氙探测器设计和开发，以验证从所有可疑的暗物质探测实验获得的高精度数据信号。

与此同时，计划中的暗物质空间探索实验项目也有非常值得注意的成果。中国科学院紫金山天文台暗物质与空间天文实验室主任常进等人正在努力开发一颗暗物质粒子探测卫星。

常进透露，暗物质粒子探测卫星将于2015年底发射。届时，该卫星将通过观察太空中的高能电子和伽马射线，从正负电子的总和开始，分析暗物质的奥秘。

合理布局凸显优势

吴月良认为，中国在暗物质研究方面取得快速成就的原因与团队之间的团结与合作密切相关。

“该项目聚焦于中国暗物质和暗能量领域的主要主导单位，并形成了一个跨学科的研究团队。”吴月良说，中国的暗物质研究从理论和实践、天与地的合理布局开始。

注意独特的数据来源，利用现有技术开发更多独特的实验渠道...吴月良表示，未来五年，中国的竞争优势将更加明显。“我们有世界上最深最干净的实验室和卫星，专门用来探测暗物质。此外，中国科学院高能研究所也在研制液态氩探测器，探测方法也越来越多样化……与以前相比，中国探测暗物质的机会更大”。

目前，如何保持现有优势，让它们充分发挥出来，已经成为科学家们深思的问题。

首先是不断提高现有探测器的精度。以高纯锗探测器为例，单个探测器的体积不能太大。

为此，CDEX合作小组提出了“阵列探测器”的技术路线，即由多个单体组成的大阵列探测器。

该实验组目前正在建造一个10公斤高纯度锗阵列系统CDEX-10，这将是世界上最高质量的超低能量阈值高纯度锗探测器阵列。此后，100公斤至100吨阵列高纯锗检测系统的研发将继续进行。

与此同时，记者了解到，PandaX实验小组也在开发一种500公斤重的液态氙探测器。

探测只是研究暗物质的第一步。在钱月看来，未来的国家应该从表面上推进暗物质研究的前沿实验。一方面，它应该首先取得突破性的成果，另一方面，它应该跟进以下技术，以便在发现暗物质后进行进一步的研究。

此外，吴月良表示，要进一步加强理论研究与实践研究的结合，充分发挥优势。

浅谈

自从天文学家发现宇宙中的大多数物质都是不可见的，他们就试图找出这些模糊的东西可能是什么。现在，这个谜的答案变得越来越清晰。

今年早些时候，利用美国宇航局费米伽马射线太空望远镜提供的公共数据，研究人员发现在银河系中心有过量的高能伽马射线。暗物质粒子的湮灭释放出伽马射线信号的说法得到了极大的加强。

当地时间9月18日晚，由诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中率领的阿尔法磁谱仪小组在欧洲粒子物理研究所宣布，暗物质的六个特征中有五个已经在完整的观测中得到证实，这进一步表明暗物质可能存在。

12月15日，瑞士洛桑联邦理工学院发布了使用欧洲航天局的XMM牛顿望远镜进行观测的结果。研究人员发现了一种来自宇宙X射线的非典型光子发射现象，这也可能是暗物质存在的证据。

今年，清华大学领导的CDEX实验小组和上海交通大学领导的潘达克斯实验小组获得了大量数据，进一步缩小了暗物质探索的范围。经过多年积累，中国的暗物质研究已经从无到有，从追赶到走在世界前列。

越来越多的数据显示，人类即将发现暗物质。未来十年将是暗物质突破的十年。来自世界各地的科学家正在摩拳擦掌，等待这激动人心的时刻。暗物质探索的竞争也越来越激烈。

对于后来的中国科学家来说，这是一个机会，让中国关注独特的数据来源，并利用现有技术开发更多独特的实验渠道。

我们将拭目以待人类认识暗物质之旅的最后阶段。

中国科学新闻(2014-12-29，第一版集锦)