涼山州錦屏山深處 科學(xué)家們探尋“宇宙最神秘粒子”

11月28日，上海交通大學(xué)講席教授、國家“千人計(jì)劃”專家季向東來到成都七中林蔭校區(qū)，做關(guān)于“暗物質(zhì)”的講座。 本報(bào)記者 衡昌輝攝“很高興來到這里，我現(xiàn)在算是半個(gè)四川人了。”這是11月28日下午，季向東在成都七中學(xué)術(shù)報(bào)告廳說的第一句話。

實(shí)際上，這位上海交通大學(xué)講席教授、國家“千人計(jì)劃”專家與四川的緣分始于4年前，由他領(lǐng)銜的探測世界科學(xué)最前沿的暗物質(zhì)研究計(jì)劃之一——PandaX(粒子和天體物理氙探測器)計(jì)劃在四川啟動(dòng)。

4年來，在涼山州錦屏山2500米深處，全世界埋深最深的地下實(shí)驗(yàn)室里，季向東和他團(tuán)隊(duì)的40多人，“與世隔絕”地進(jìn)行著一場名為“探尋宇宙中最神秘粒子”的賽跑，并在今年取得了突破性進(jìn)展。

A “96%團(tuán)隊(duì)”

2002年，美國國家研究委員會的一份報(bào)告列出了新世紀(jì)要解答的11個(gè)科技問題，其中就有暗物質(zhì)。2008年，歐洲推出的粒子天文學(xué)路線圖列出7個(gè)重要領(lǐng)域，暗物質(zhì)排在第一。

暗物質(zhì)是什么?講座上，季向東一來就先回答了這個(gè)問題：“可以輕松地從地球的一端跑到另一端，每秒上億次穿過我們的身體，卻看不見摸不著，即使用目前最靈敏的探測器也‘抓’不到。”暗物質(zhì)是指不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，目前人們只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知其存在。

過去，人們認(rèn)為地球、太陽、月亮、星星，就已是宇宙的全部。但即便銀河系中有百億個(gè)類似太陽的恒星，宇宙中有千億個(gè)星系，也都是“普通物質(zhì)”構(gòu)成。“窮盡我們目前的認(rèn)識和感知極限，所有由我們熟知的原子、分子構(gòu)成的普通物質(zhì)，只占宇宙的4%，而其他的96%，是暗物質(zhì)和暗能量。根據(jù)現(xiàn)在的了解，暗能量約占宇宙總能量的73%，暗物質(zhì)約占宇宙總能量的23%。”

研究宇宙普通物質(zhì)之外那96%能量的專家，稱自己為“96%團(tuán)隊(duì)”。2006年和2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，就來自這個(gè)“團(tuán)隊(duì)”。但在季向東看來，盡管知道它們在宇宙中占有多少比例和成分，但研究起來還是很困難的。

有多困難?季向東進(jìn)一步說明，每秒鐘大約有上億個(gè)暗物質(zhì)原子穿過我們的身體，而我們身體里內(nèi)原子數(shù)量大約有1億億億個(gè)，也就是10的23到24次方，“如果我們等上一天，兩種原子能撞上的概率有多大?”答案是：不到一次。但與此同時(shí)，我們身體里的原子每天被宇宙線、放射性物質(zhì)撞飛的次數(shù)大概是上億次。

B “守株待兔”實(shí)驗(yàn) 將一枝當(dāng)日采摘的紅玫瑰放入一個(gè)不斷涌出白霧的盆子，會發(fā)生什么?講座中，季向東給現(xiàn)場學(xué)生變起了“魔術(shù)”。

幾分鐘后，當(dāng)他將玫瑰花取出，往地上一扔，玫瑰花瞬間成碎片狀散落一地。“白霧是液氮，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明，經(jīng)過液化處理的惰性氣體有著超低的溫度，我們正在進(jìn)行的暗物質(zhì)探測就要用到這種液化后的惰性元素，只不過用的是無色、透明、絕緣的液氙”。

探，是研究的第一步。因?yàn)榘滴镔|(zhì)跟普通物質(zhì)幾乎不相互作用，所以由普通物質(zhì)建成的探測器很難感知它的存在，要抓住這個(gè)“幽靈”，需要造一個(gè)非常靈敏的探測器。目前，全球有20多個(gè)直接探測實(shí)驗(yàn)組，運(yùn)用多種不同的探測技術(shù)，分布在世界各地下實(shí)驗(yàn)室。Pan-daX計(jì)劃，利用的是比較成熟和易于做大的液氙技術(shù)。

氙在零下100攝氏度的時(shí)候變成無色透明的液體，形成一片稠密的“樹林”。如果足夠幸運(yùn)，宇宙中的一顆暗物質(zhì)粒子與探測器中的某一顆氙原子相撞，撞飛的氙原子會發(fā)光發(fā)電，相當(dāng)于“樹”在搖動(dòng)，這個(gè)動(dòng)靜會被探測器內(nèi)部的光電感應(yīng)系統(tǒng)捕捉到。由此產(chǎn)生的這組數(shù)據(jù)，會傳輸至后臺的計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析研究。季向東說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是“守株待兔”。

而即使有了技術(shù)和裝置，實(shí)驗(yàn)也不一定能開展。因?yàn)榧词拱滴镔|(zhì)和普通物質(zhì)的原子撞到了，也只產(chǎn)生極其微弱的光電信號，且必須被及時(shí)探測并捕獲。而在地面上，各種宇宙射線將對這些裝置造成極大的背景輻射干擾。為屏蔽不計(jì)其數(shù)的粒子撞擊信號，實(shí)驗(yàn)必須深入地下。

錦屏二級水電站的建設(shè)，讓這個(gè)科學(xué)計(jì)劃找到了絕佳的實(shí)驗(yàn)室。

2010年，在錦屏二級水電站的交通隧洞向外擴(kuò)挖的支洞內(nèi)，中國首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室“中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”投用，實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋約2500米，厚度居世界第一。上海交大的PandaX計(jì)劃在此建立了實(shí)驗(yàn)室，這也是我國開展的首個(gè)百公斤級大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室所受到的宇宙線干擾比地面少100萬倍，宇宙線噪聲指標(biāo)約為全球最著名的地下實(shí)驗(yàn)室——意大利格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室的1/300。

C “半噸級”實(shí)驗(yàn)在錦屏山深處這個(gè)約40米長、6米多寬、7米多高的實(shí)驗(yàn)室里，季向東的研究進(jìn)展迅速：2012年8月，實(shí)驗(yàn)裝置到達(dá);2013年3月，開始現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)調(diào);2014年3月，120公斤級液氙探測器開始物理運(yùn)行。

今年8月24日，PandaX實(shí)驗(yàn)組在上海發(fā)表了立項(xiàng)4年來的首批物理數(shù)據(jù)：在今年5月開始的暗物質(zhì)探測數(shù)據(jù)中，探測器記錄了約400萬個(gè)粒子撞擊事例，在暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的“能量區(qū)”大約有1萬個(gè)事例，而在探測器最“安靜”的中心——37公斤液氙中只有46個(gè)事例。且這46個(gè)事例全部來自放射性本底，沒有暗物質(zhì)留下的痕跡。這也對以往國際上發(fā)現(xiàn)的疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號提出質(zhì)疑。

8月26日，全球頂尖的《科學(xué)》雜志報(bào)道了由中國科學(xué)家主導(dǎo)、在四川進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，題為《探索暗物質(zhì)，中國團(tuán)隊(duì)迎頭趕上》。

目前，PandaX正建造一個(gè)500公斤液態(tài)氙的探測器，裝置將于年底前運(yùn)抵四川，預(yù)計(jì)明年正式運(yùn)行。屆時(shí)，“半噸級”實(shí)驗(yàn)將是世界最大規(guī)模，靈敏度可比現(xiàn)有裝置放大20倍左右，并可進(jìn)入重質(zhì)量暗物質(zhì)信號區(qū)進(jìn)行搜索。季向東表示，隨著能級提升，中國人有望率先找到理論預(yù)言的、較重質(zhì)量的一類暗物質(zhì)粒子，“我們已接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣”。

對話 研究暗物質(zhì)是想對這個(gè)世界了解更多 如果最終通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，還是發(fā)現(xiàn)不了暗物質(zhì)怎么辦呢?

季向東沒有直接回答這個(gè)問題，而是回憶起第一次進(jìn)到錦屏山下的情景：2009年3月，錦屏山隧道剛貫通半年多，洞壁一直在冒水，穿著長筒靴，蹚著一尺多深的積水，一行人走進(jìn)了隧道。

而實(shí)驗(yàn)室開始運(yùn)行后的每一天，實(shí)驗(yàn)組的常駐老師和學(xué)生，都從隧道東出口的營地宿舍出發(fā)，坐車進(jìn)入隧道的實(shí)驗(yàn)室。中午回宿舍吃飯后再進(jìn)洞，直到晚上，有的人一年要在這里呆上300多天。“原來課題組曾計(jì)劃中午不出洞，把飯帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室吃，這就可以省時(shí)間。但試了之后發(fā)現(xiàn)，這樣與世隔絕地在洞里從早待到晚，心理上扛不住。”

一項(xiàng)如此艱難的實(shí)驗(yàn)，探索一個(gè)未知的東西，探測出來也未見得有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，并且不確定能夠成功，為什么還要做?季向東說，重大基礎(chǔ)科學(xué)的研究，都不可能是立竿見影的，但這些前沿理論的研究，會催生和發(fā)展出很多實(shí)用技術(shù)。比如今天改變?nèi)�世界的互�?lián)網(wǎng)，就是因?yàn)楫?dāng)初要解決高能物理研究過程大量分布計(jì)算問題而誕生的。

“也許造福的是百年甚至更久以后的人，但我們今天之所以做這項(xiàng)研究，是因?yàn)槲覀兿雽�這個(gè)世界了解得更多。”而如果研究的結(jié)果是沒有暗物質(zhì)，季向東認(rèn)為，則說明我們對宇宙的認(rèn)知，還存在著重大的缺陷，“我們目前構(gòu)想的宇宙藍(lán)圖，恐怕就要重新描繪了。”

記者手記 從影響年輕人開始即使需要當(dāng)天往返成都與上海，即使是在全球最大規(guī)模最靈敏暗物質(zhì)探測器最后試裝的關(guān)鍵時(shí)刻，季向東還是毫不猶豫接受了到成都七中的講座邀請。用他的原話來說：幾乎是immediately(立刻)答應(yīng)。

這位加州理工大學(xué)和麻省理工大學(xué)博士后、曾在國外長期從事天體物理和宇宙學(xué)研究的科學(xué)家說，影響當(dāng)今世界發(fā)展的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，大多都來自國外科學(xué)家。中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，正是建立在這些全人類的偉大發(fā)明之上，而隨著我們經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)步，需要更多自主的科學(xué)研究，在世界最前沿的領(lǐng)域做出中國的貢獻(xiàn)。希望，就在年輕人身上。不論是在成都七中給學(xué)生介紹暗物質(zhì)，還是在上海交大給一年級的本科生上課，或者是邀請中學(xué)生去錦屏實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)，都是希望在他們非常年輕的時(shí)候，培養(yǎng)“想做世界一流研究”的興趣。而培養(yǎng)興趣最好的辦法，就是參與。