凉山州锦屏山深处 科学家们探寻“宇宙最神秘粒子”
作者： 来源：四川新闻网 时间：2014-11-30 09:14:32 阅读量：
11月28日，上海交通大学讲席教授、国家“千人计划”专家季向东来到成都七中林荫校区，做关于“暗物质”的讲座。 本报记者 衡昌辉摄
“很高兴来到这里，我现在算是半个四川人了。”这是11月28日下午，季向东在成都七中学术报告厅说的第一句话。
实际上，这位上海交通大学讲席教授、国家“千人计划”专家与四川的缘分始于4年前，由他领衔的探测世界科学最前沿的暗物质研究计划之一——PandaX(粒子和天体物理氙探测器)计划在四川启动。
4年来，在凉山州锦屏山2500米深处，全世界埋深最深的地下实验室里，季向东和他团队的40多人，“与世隔绝”地进行着一场名为“探寻宇宙中最神秘粒子”的赛跑，并在今年取得了突破性进展。
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“96%团队”
2002年，美国国家研究委员会的一份报告列出了新世纪要解答的11个科技问题，其中就有暗物质。2008年，欧洲推出的粒子天文学路线图列出7个重要领域，暗物质排在第一。
暗物质是什么?讲座上，季向东一来就先回答了这个问题：“可以轻松地从地球的一端跑到另一端，每秒上亿次穿过我们的身体，却看不见摸不着，即使用目前最灵敏的探测器也‘抓’不到。”暗物质是指不发射任何光及电磁辐射的物质，目前人们只能通过引力产生的效应得知其存在。
过去，人们认为地球、太阳、月亮、星星，就已是宇宙的全部。但即便银河系中有百亿个类似太阳的恒星，宇宙中有千亿个星系，也都是“普通物质”构成。“穷尽我们目前的认识和感知极限，所有由我们熟知的原子、分子构成的普通物质，只占宇宙的4%，而其他的96%，是暗物质和暗能量。根据现在的了解，暗能量约占宇宙总能量的73%，暗物质约占宇宙总能量的23%。”
研究宇宙普通物质之外那96%能量的专家，称自己为“96%团队”。2006年和2011年的诺贝尔物理学奖得主，就来自这个“团队”。但在季向东看来，尽管知道它们在宇宙中占有多少比例和成分，但研究起来还是很困难的。
有多困难?季向东进一步说明，每秒钟大约有上亿个暗物质原子穿过我们的身体，而我们身体里内原子数量大约有1亿亿亿个，也就是10的23到24次方，“如果我们等上一天，两种原子能撞上的概率有多大?”答案是：不到一次。但与此同时，我们身体里的原子每天被宇宙线、放射性物质撞飞的次数大概是上亿次。
B
“守株待兔”实验
将一枝当日采摘的红玫瑰放入一个不断涌出白雾的盆子，会发生什么?讲座中，季向东给现场学生变起了“魔术”。
几分钟后，当他将玫瑰花取出，往地上一扔，玫瑰花瞬间成碎片状散落一地。“白雾是液氮，这个实验说明，经过液化处理的惰性气体有着超低的温度，我们正在进行的暗物质探测就要用到这种液化后的惰性元素，只不过用的是无色、透明、绝缘的液氙”。
探，是研究的第一步。因为暗物质跟普通物质几乎不相互作用，所以由普通物质建成的探测器很难感知它的存在，要抓住这个“幽灵”，需要造一个非常灵敏的探测器。目前，全球有20多个直接探测实验组，运用多种不同的探测技术，分布在世界各地下实验室。Pan-daX计划，利用的是比较成熟和易于做大的液氙技术。
氙在零下100摄氏度的时候变成无色透明的液体，形成一片稠密的“树林”。如果足够幸运，宇宙中的一颗暗物质粒子与探测器中的某一颗氙原子相撞，撞飞的氙原子会发光发电，相当于“树”在摇动，这个动静会被探测器内部的光电感应系统捕捉到。由此产生的这组数据，会传输至后台的计算机进行分析研究。季向东说，这个实验，就是“守株待兔”。
而即使有了技术和装置，实验也不一定能开展。因为即使暗物质和普通物质的原子撞到了，也只产生极其微弱的光电信号，且必须被及时探测并捕获。而在地面上，各种宇宙射线将对这些装置造成极大的背景辐射干扰。为屏蔽不计其数的粒子撞击信号，实验必须深入地下。
锦屏二级水电站的建设，让这个科学计划找到了绝佳的实验室。
2010年，在锦屏二级水电站的交通隧洞向外扩挖的支洞内，中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”投用，实验室垂直岩石覆盖约2500米，厚度居世界第一。上海交大的PandaX计划在此建立了实验室，这也是我国开展的首个百公斤级大型暗物质实验。这个实验室所受到的宇宙线干扰比地面少100万倍，宇宙线噪声指标约为全球最著名的地下实验室——意大利格兰萨索实验室的1/300。
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“半吨级”实验
在锦屏山深处这个约40米长、6米多宽、7米多高的实验室里，季向东的研究进展迅速：2012年8月，实验装置到达;2013年3月，开始现场系统联调;2014年3月，120公斤级液氙探测器开始物理运行。
今年8月24日，PandaX实验组在上海发表了立项4年来的首批物理数据：在今年5月开始的暗物质探测数据中，探测器记录了约400万个粒子撞击事例，在暗物质可能产生的“能量区”大约有1万个事例，而在探测器最“安静”的中心——37公斤液氙中只有46个事例。且这46个事例全部来自放射性本底，没有暗物质留下的痕迹。这也对以往国际上发现的疑似轻质量暗物质信号提出质疑。
8月26日，全球顶尖的《科学》杂志报道了由中国科学家主导、在四川进行的科学实验成果，题为《探索暗物质，中国团队迎头赶上》。
目前，PandaX正建造一个500公斤液态氙的探测器，装置将于年底前运抵四川，预计明年正式运行。届时，“半吨级”实验将是世界最大规模，灵敏度可比现有装置放大20倍左右，并可进入重质量暗物质信号区进行搜索。季向东表示，随着能级提升，中国人有望率先找到理论预言的、较重质量的一类暗物质粒子，“我们已接近发现暗物质的边缘”。
对话
研究暗物质是想对这个世界了解更多
如果最终通过反复的实验，还是发现不了暗物质怎么办呢?
季向东没有直接回答这个问题，而是回忆起第一次进到锦屏山下的情景：2009年3月，锦屏山隧道刚贯通半年多，洞壁一直在冒水，穿着长筒靴，蹚着一尺多深的积水，一行人走进了隧道。
而实验室开始运行后的每一天，实验组的常驻老师和学生，都从隧道东出口的营地宿舍出发，坐车进入隧道的实验室。中午回宿舍吃饭后再进洞，直到晚上，有的人一年要在这里呆上300多天。“原来课题组曾计划中午不出洞，把饭带进实验室吃，这就可以省时间。但试了之后发现，这样与世隔绝地在洞里从早待到晚，心理上扛不住。”
一项如此艰难的实验，探索一个未知的东西，探测出来也未见得有现实的应用，并且不确定能够成功，为什么还要做?季向东说，重大基础科学的研究，都不可能是立竿见影的，但这些前沿理论的研究，会催生和发展出很多实用技术。比如今天改变全世界的互联网，就是因为当初要解决高能物理研究过程大量分布计算问题而诞生的。
“也许造福的是百年甚至更久以后的人，但我们今天之所以做这项研究，是因为我们想对这个世界了解得更多。”而如果研究的结果是没有暗物质，季向东认为，则说明我们对宇宙的认知，还存在着重大的缺陷，“我们目前构想的宇宙蓝图，恐怕就要重新描绘了。”
记者手记
从影响年轻人开始
即使需要当天往返成都与上海，即使是在全球最大规模最灵敏暗物质探测器最后试装的关键时刻，季向东还是毫不犹豫接受了到成都七中的讲座邀请。用他的原话来说：几乎是immediately(立刻)答应。
这位加州理工大学和麻省理工大学博士后、曾在国外长期从事天体物理和宇宙学研究的科学家说，影响当今世界发展的重大科学发现，大多都来自国外科学家。中国经济的高速发展，正是建立在这些全人类的伟大发明之上，而随着我们经济社会的进步，需要更多自主的科学研究，在世界最前沿的领域做出中国的贡献。希望，就在年轻人身上。不论是在成都七中给学生介绍暗物质，还是在上海交大给一年级的本科生上课，或者是邀请中学生去锦屏实验室实习，都是希望在他们非常年轻的时候，培养“想做世界一流研究”的兴趣。而培养兴趣最好的办法，就是参与。
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