凉山州锦屏山深处 科学家们探寻“宇宙最神秘粒子”

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。

A

“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。