日前，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)表了首篇科學(xué)論文，打開了暗物質(zhì)觀測的新窗口。其實，在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域，我國不僅在空間探測上有所作為，地面探測也可圈可點——中國暗物質(zhì)探測實驗“熊貓計劃”（PandaX）獲得的數(shù)據(jù)，多次成為當(dāng)年世界最好結(jié)果。在位于四川涼山彝族自治州的錦屏山下，在覆蓋著2400多米巖石的極深地下，科學(xué)家們正在捕捉暗物質(zhì)存在的最直接證據(jù)，不斷刷新對暗物質(zhì)粒子性質(zhì)的限制紀(jì)錄，為人類探索自然界奧秘貢獻(xiàn)中國力量。

　　PandaX-Ⅲ計劃示意圖，目標(biāo)是測量“氙136的無中微子雙貝塔衰變”。

　　新華社發(fā)

　　2400米深的中國四川錦屏山山體內(nèi)，中國首個極深地下實驗室里的大型暗物質(zhì)探測器日夜運轉(zhuǎn)。

　　“如果把探測器中的原子比作一片樹林，暗物質(zhì)粒子則是成群結(jié)隊飛奔而來、呼嘯而過的兔子，難免有一只或幾只不長眼的家伙迎頭撞死在某棵樹下，被農(nóng)夫捕獲。”上海交通大學(xué)鴻文講席教授、“熊貓計劃”（PandaX）項目負(fù)責(zé)人季向東為我們講述錦屏山深地隧道中正在進(jìn)行的PandaX。

　　從2014年3月23日取數(shù)到今天，PandaX已連續(xù)運行三年零六個月。2016年、2017年的兩年間，PandaX發(fā)布的數(shù)據(jù)都是當(dāng)年全世界最好的探測結(jié)果。“不斷地改進(jìn)儀器的靈敏度，有一天我們可能會探測到暗物質(zhì)。對暗物質(zhì)性質(zhì)的研究，將使人類認(rèn)知產(chǎn)生一個飛躍。”季向東說，“即便有一天我們探測不到暗物質(zhì)，對暗物質(zhì)的研究終將刷新人類對于世界的認(rèn)知。”

　　地心“熊貓”的誕生

　　科學(xué)家認(rèn)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(xué)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(rèn)的人類21世紀(jì)最重要的科學(xué)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(dāng)天，錦屏山交通配套隧道貫通。得知這一消息的物理學(xué)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(jìn)了隧道。那天，一行共7人，現(xiàn)任上海交通大學(xué)校長的林忠欽院士帶隊，還有清華大學(xué)、中科院、美國普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校的幾位教授。

　　站在隧道中間，頭頂上是厚達(dá)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(xué)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(xué)牽頭，國內(nèi)多個合作單位包括北京大學(xué)、山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、中山大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國原子能科學(xué)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(lǐng)域進(jìn)行了“重新洗牌”——這一領(lǐng)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(jìn)行的XENON暗物質(zhì)實驗、美國南達(dá)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P(guān)andax項目取得首個結(jié)果時，《科學(xué)》雜志就以《探索暗物質(zhì)，中國團(tuán)隊迎頭趕上》為題，進(jìn)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(xué)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(jié)果，再次刷新對暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀(jì)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(jié)果后，第二次發(fā)布國際最靈敏暗物質(zhì)探測結(jié)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(chǔ)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(jié)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(dāng)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(jìn)一步降低噪音，并進(jìn)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(jié)果，上海交通大學(xué)劉江來教授帶領(lǐng)多位研究人員通宵達(dá)旦工作，發(fā)布的探測結(jié)果再一次刷新對暗物質(zhì)粒子性質(zhì)限制的世界紀(jì)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(jié)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(xué)牽頭的CDEX研究計劃也在持續(xù)進(jìn)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(xué)、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(biāo)志著中國正式進(jìn)入暗物質(zhì)空間探測領(lǐng)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(tuán)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(jì)錄”，領(lǐng)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(chǔ)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(jìn)行4噸級液氙探測器探測實驗，甚至聯(lián)合世界科學(xué)家進(jìn)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(jìn)，相信會有樂觀的結(jié)果產(chǎn)生。”

　　“暗物質(zhì)研究的意義非常重大，中國的科學(xué)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）