北莫寒

暗物質(zhì)和暗能量占宇宙總物質(zhì)-能量的96%

據(jù)中科院高能物理研究所研究員、“千人計(jì)劃”入選者張雙南發(fā)文《空間時(shí)代的天文學(xué)研究——從空間天文觀測(cè)到諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)》顯示，宇宙中的普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量分別占宇宙總的物質(zhì)-能量的比例為4%、23%和73%，但目前物理學(xué)中即使是最成功的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型也只能接受宇宙中的普通物質(zhì)，也就是說(shuō)我們對(duì)90%以上的宇宙成分幾乎一無(wú)所知。

關(guān)于暗物質(zhì)，普遍的理論認(rèn)為，在宇宙中只有四分之一的物質(zhì)是可見(jiàn)的，而那四分之三的不可見(jiàn)神秘物質(zhì)就是所謂的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)粒子的奇特之處就在于，當(dāng)它們穿過(guò)某物體時(shí)，就像對(duì)方不存在一樣，無(wú)視其碰撞體。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室位于四川省涼山州，是目前世界埋深最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

為什么要在地下深處建造實(shí)驗(yàn)室？

中科院發(fā)布的《創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來(lái)》戰(zhàn)略研究報(bào)告顯示，“揭開(kāi)暗物質(zhì)、暗能量之謎，將是人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的又一次重大飛躍，可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。為此，需投資建設(shè)幾項(xiàng)關(guān)鍵性的探測(cè)暗物質(zhì)、暗能量的重大實(shí)驗(yàn)裝置，包括地下和太空的粒子探測(cè)器和在南極建立大口徑天文望遠(yuǎn)鏡，以取得第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于主導(dǎo)地位?！?/p>

為此，用于探測(cè)暗物質(zhì)和暗能量的眾多實(shí)驗(yàn)裝置，其中就包括地下實(shí)驗(yàn)室。這種特殊的實(shí)驗(yàn)室還能幫助地質(zhì)學(xué)家和生態(tài)學(xué)家解決許多問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)需要最“干凈”的環(huán)境。這里的“干凈”，是指輻射最少、雜質(zhì)最少。所以應(yīng)盡量遮蔽住宇宙射線，用巖石阻擋。

為了讓實(shí)驗(yàn)室變得更“干凈”，工作人員還對(duì)環(huán)境進(jìn)行了特殊的包裝。實(shí)驗(yàn)室外層是1米厚的聚乙烯材料，用于阻攔和吸引中子;然后是20厘米厚的鉛層，用于屏蔽外部的伽馬射線;20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子;10厘米厚的高純無(wú)氧銅，用于阻擋鉛材料及外部其他材料中的伽馬射線。這些屏蔽設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠考慮到的一切輻射源。

垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400米

為何要“鉆”到地下去探測(cè)

暗物質(zhì)是種特殊的粒子，它們的質(zhì)量很大，但作用力卻微乎其微。每天可能有幾萬(wàn)億個(gè)暗物質(zhì)穿過(guò)你的身體，但你卻感受不到，因?yàn)榘滴镔|(zhì)的散射截面很小。打個(gè)比方，就像一只足球能被球網(wǎng)擋住，但是一個(gè)小鐵球就能穿網(wǎng)而過(guò)，就是因?yàn)樗慕孛姹惹蚓W(wǎng)的網(wǎng)格小。

就如何“網(wǎng)”住暗物質(zhì)，科學(xué)家也想了很多辦法。最初的辦法是天文觀測(cè)，但卻無(wú)法解答“暗物質(zhì)是什么”。后來(lái)，科學(xué)家又嘗試通過(guò)地面或太空望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生的普通物質(zhì)粒子信號(hào)，還用原子核與暗物質(zhì)碰撞，探測(cè)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。而在地面上，宇宙射線眾多，干擾了探測(cè)。而地下實(shí)驗(yàn)室可以幫助探測(cè)器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。

世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室

在中國(guó)四川省的大山深處，有一個(gè)非常神奇的實(shí)驗(yàn)室——中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400米，是目前世界上埋深最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”是利用二灘公司為建設(shè)水電站而修建的錦屏山隧道建成，這條隧道除了有約2400米的巖石覆蓋層外，洞內(nèi)巖體天然放射性極低，非常適合開(kāi)展暗物質(zhì)探測(cè)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的探測(cè)試驗(yàn)。且極深的地下也是對(duì)低放射性材料、環(huán)境核輻射污染進(jìn)行檢測(cè)的良好環(huán)境。

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主要做哪些實(shí)驗(yàn)？

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室由清華大學(xué)運(yùn)營(yíng)，目前用兩種方法進(jìn)行暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)：高純鍺實(shí)驗(yàn)和液態(tài)氙實(shí)驗(yàn)。

2012年，清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)組在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室里獲得了第一批寶貴的數(shù)據(jù)，并展開(kāi)了數(shù)據(jù)分析。2013年，實(shí)驗(yàn)組的首個(gè)研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威物理期刊《物理評(píng)論D》上，這是中國(guó)第一個(gè)自主開(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的物理結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)成果對(duì)低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測(cè)靈敏度達(dá)到了國(guó)際一流水平。

上海交通大學(xué)主導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在錦屏實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熊貓計(jì)劃（Panda X），該實(shí)驗(yàn)利用在空氣中提純的惰性元素氙作為探測(cè)媒介來(lái)尋找暗物質(zhì)。其中的Panda X-I 125千克級(jí)氙探測(cè)器已經(jīng)于2014年3月正式運(yùn)行開(kāi)始探測(cè)數(shù)據(jù)，是中國(guó)開(kāi)展的首個(gè)百千克級(jí)大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，它的運(yùn)行結(jié)果標(biāo)志著中國(guó)在暗物質(zhì)探測(cè)這個(gè)前沿科學(xué)領(lǐng)域跨進(jìn)世界先進(jìn)行列。

使用液態(tài)氙進(jìn)行暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的“熊貓X”團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家、中國(guó)“千人計(jì)劃”入選者季向東說(shuō)，“我們計(jì)劃進(jìn)行一個(gè)終極的暗物質(zhì)捕捉實(shí)驗(yàn)，使用20噸的液態(tài)氙”，這比目前任何一個(gè)同類(lèi)實(shí)驗(yàn)使用的液態(tài)氙都要多，“熊貓X”團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在液態(tài)氙的使用量是37千克。

從2014年8月開(kāi)始，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程開(kāi)始建設(shè)。不久以后，世界各地的科學(xué)家就能在這里開(kāi)展深地科學(xué)研究。在擴(kuò)建好的實(shí)驗(yàn)空間中，研究人員還將開(kāi)展“核天體物理學(xué)”研究。核天體物理是核物理與天體物理的交叉學(xué)科，用核（粒子）物理的理論方法研究星體演化等問(wèn)題。