張懿

走過兩道沉重的不銹鋼門，隧道內(nèi)的氣味、聲音和塵土都被隔離在外，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室終于展現(xiàn)在記者面前。這是一個(gè)約40米長、6.5米寬、7米高的方方正正的空間。

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室目前正在同時(shí)進(jìn)行兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。一是上海交大牽頭的PandaX，該研究嘗試以氙原子核為“樹”，等候暗物質(zhì)的撞擊；二是清華大學(xué)牽頭的CDEX實(shí)驗(yàn)，他們的靶子是高純度鍺。

除去公共設(shè)備空間，實(shí)際上交大PandaX實(shí)驗(yàn)真正占據(jù)的面積只不過60多平方米，大約也就是一套一室一廳，里面塞得滿滿當(dāng)當(dāng)。

身處地下2.5千米的地方，其實(shí)并不能在“居住條件”上提太多要求。為了盡可能利用空間，研究者自己搭了一個(gè)閣樓，把實(shí)驗(yàn)室變成了一個(gè)“復(fù)式”。

實(shí)驗(yàn)室里最引人注目的，無疑是一個(gè)2米多高的銅制容器，它就像一個(gè)超大的茶杯，外面包裹著極厚的一層白色屏蔽體。

在它旁邊，幾位年輕的博士生正在調(diào)試一個(gè)齊胸高的不銹鋼制圓柱體容器。季向東告訴記者，這就是實(shí)驗(yàn)的核心—液氙探測(cè)器。等調(diào)試好，這個(gè)探測(cè)器就將被整體起吊，裝進(jìn)銅制容器與白色屏蔽體一起構(gòu)筑而成的“碉堡”里，開始收集數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)直如“大海撈針”

要大略解釋清楚暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的原理并不很難。宇宙空間中的暗物質(zhì)粒子穿透大山的屏蔽后，如果幸運(yùn)，可能會(huì)有一顆粒子與探測(cè)器里的某一顆氙原子核相撞，發(fā)光，進(jìn)而被探測(cè)器內(nèi)部的光電感應(yīng)系統(tǒng)捕捉到。由此產(chǎn)生的一組數(shù)據(jù)，會(huì)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，留給日后分析。

其實(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，是不斷地做乘法和除法：乘法，就是不斷提高儀器靈敏度，盡可能搜集更多的數(shù)據(jù)；除法，就是在搜集到的海量數(shù)據(jù)中，盡可能去除干擾。

為了提高撞擊的概率，PandaX實(shí)驗(yàn)使用了液態(tài)的氙。液氙可能是比重最大的透明液體之一，大約是水的三倍。而在探測(cè)器內(nèi)的光電感應(yīng)裝置，其靈敏度之高，甚至不會(huì)放過區(qū)區(qū)一個(gè)光子（一只白熾燈泡每秒大約制造1000億個(gè)光子）。

為了降低噪音，由10厘米厚的銅、60厘米厚的聚乙烯，以及20厘米厚的鉛塊組成的屏蔽堡壘，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室中的中子、伽瑪射線等阻擋在探測(cè)器外。別忘了，實(shí)驗(yàn)室頭頂還有2500米的巖層，已經(jīng)把宇宙射線的干擾縮小到了地表的一億分之一。

但光靠物理隔離，還不足以將噪音完全去除，即使在這樣的環(huán)境中，各種與暗物質(zhì)無關(guān)的輻射物每秒還會(huì)與探測(cè)器中的氙原子核發(fā)生成百上千次碰撞，這些干擾信號(hào)要靠電腦來自動(dòng)甄別。季向東告訴記者，電腦的選擇大約是“千里挑一”—最終值得PandaX實(shí)驗(yàn)裝置記錄的發(fā)光事件，大約每秒只有1次。累計(jì)起來，每年就是3000萬個(gè)左右。

高山屏蔽、層層隔離、千里挑一，而后在整整一年中篩選出的3000萬次發(fā)光事件中，有多少可能會(huì)與暗物質(zhì)真正有關(guān)？

季向東說，很可能不會(huì)超過1個(gè)。

而要最終確認(rèn)它就是暗物質(zhì)碰撞的產(chǎn)物，還有一個(gè)艱難的自我挑戰(zhàn)過程：“我們必須窮盡一切方法，直到現(xiàn)有的理論都沒法解釋它，這才能說，我們發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)。”

大海撈針，古人發(fā)明這個(gè)詞的時(shí)候，也許想不到會(huì)如此貼合暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

“高性價(jià)比”的研究

上海交大的PandaX團(tuán)隊(duì)，目前正在組建一個(gè)100公斤級(jí)的液氙探測(cè)裝置，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，整個(gè)探測(cè)裝置最終要注入約300公斤的氙。

市場(chǎng)上，液氙的價(jià)格是每公斤約1萬元。也就是說，光這些氙的價(jià)值就在300萬元左右。

但氙遠(yuǎn)不是最貴的實(shí)驗(yàn)材料。探測(cè)器內(nèi)的高靈敏度光電管，別看大小只相當(dāng)于一個(gè)汽水瓶蓋，但每個(gè)的價(jià)值都抵得上一輛汽車。

光電管很脆弱，如果溫度控制不當(dāng)，探測(cè)器內(nèi)的液氙沸騰氣化，氣壓迅速升高，很容易讓光電管報(bào)廢。所以，這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)幾乎不能出錯(cuò)的自動(dòng)冷卻系統(tǒng)，使探測(cè)器內(nèi)部永遠(yuǎn)保持在大約-100℃的低溫狀態(tài)下。

所以，在錦屏山實(shí)驗(yàn)室中，PandaX項(xiàng)目的終極冷卻方案是一套由幾部手搖吊車、幾個(gè)大桶和足夠多的液氮組成的系統(tǒng)。這個(gè)純機(jī)械的裝置能保證在電力供應(yīng)中斷后也可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)中的昂貴儀器還有許多。隨便挑出一臺(tái)小小的氣體分析儀，就價(jià)值幾十萬元。

許多細(xì)小的配件也很特別，都比日常生活中的同類產(chǎn)品貴上十倍，包括連接管道時(shí)用的墊圈，看似就一個(gè)普通的銅片，但它有能力在-200℃的低溫里保持管道接口的密封性。甚至用來給探測(cè)器擦灰的“紙巾”都是專用的—這類紙不會(huì)掉落任何細(xì)小的紙屑。

不考慮實(shí)驗(yàn)室的開挖、建筑投入，整套探測(cè)裝置的成本在數(shù)千萬元。

這算貴嗎？季向東沒有直接回答。他說，他認(rèn)可一句話：中國的基礎(chǔ)研究要“有所為、有所不為”。因?yàn)椤斑@表明，我們國家現(xiàn)在雖然不能干所有事，但在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)下，可以干一些事”。

而暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)就是在當(dāng)下“可以干的一件事”。

其實(shí)，與其他大型物理實(shí)驗(yàn)裝置相比，暗物質(zhì)探測(cè)要便宜得多。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，總投資超過40億美元；丁肇中博士主導(dǎo)的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)投入達(dá)20億美元。

但更重要的是，最近10年，越來越多的天文觀測(cè)證據(jù)支持暗物質(zhì)的存在。整個(gè)物理學(xué)界都漸漸認(rèn)為，暗物質(zhì)研究可能會(huì)在未來10年內(nèi)取得歷史性突破。而且，歐美日等國外科學(xué)家已經(jīng)在地下實(shí)驗(yàn)室開展了一段時(shí)間的暗物質(zhì)探測(cè)工作，他們?yōu)槿虻耐蟹e累了經(jīng)驗(yàn)。

“雖然人們一直沒找到暗物質(zhì)，但科學(xué)家相信它是有可能被找到的，而且工程技術(shù)已經(jīng)可以支撐這種嚴(yán)肅的探測(cè)?！奔鞠驏|說，用這樣的投入規(guī)模，去嘗試探索一個(gè)可能極有突破性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，可以說，“性價(jià)比”非常高。

更何況，錦屏山底的這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，其天賦條件又是如此獨(dú)一無二。它是目前埋藏最深的實(shí)驗(yàn)室，這使得室內(nèi)的宇宙射線噪聲指標(biāo)僅有全球最著名的地下實(shí)驗(yàn)室—意大利格蘭薩索（GranSasso）的1/300。而與在美國杜賽爾地下實(shí)驗(yàn)室舉行的LUX實(shí)驗(yàn)相比，錦屏山的交通物流與保障條件也要優(yōu)異得多。杜賽爾實(shí)驗(yàn)室位于南達(dá)科他州一處廢棄的礦井里，上下全靠升降機(jī)，這限制了大型設(shè)備的安裝進(jìn)出。但在錦屏山，重型卡車可以直接開到實(shí)驗(yàn)室門口。此外，杜賽爾實(shí)驗(yàn)室必須日復(fù)一日地抽水以防被淹，單單此項(xiàng)，每年耗資就達(dá)上千萬美元，但錦屏地下實(shí)驗(yàn)室沒有這個(gè)支出。

《自然》雜志的新聞板塊曾專門刊文，介紹錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的工作，并認(rèn)為錦屏山“很可能成為世界上最好的地下實(shí)驗(yàn)室”。這也從側(cè)面進(jìn)一步支持了中國學(xué)者的選擇。

實(shí)際上，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)越深入，所要求的靈敏度越高，就越需要更厚的巖石來屏蔽宇宙射線。所以，也許錦屏地下實(shí)驗(yàn)室在自然天賦上的優(yōu)勢(shì)，會(huì)隨著研究的推進(jìn)在未來一步一步展現(xiàn)。

目前，PandaX項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、科技部和教育部的資助。但季向東依然缺錢，依然在努力省錢。每次出差來錦屏，他都會(huì)和常駐當(dāng)?shù)氐牟┦可黄鹱—M小的營地宿舍，和水電工人吃同一個(gè)食堂。

他必須精打細(xì)算，因?yàn)榻酉聛淼膸啄曛?，他必須用有限的?jīng)費(fèi)，持續(xù)不斷地將暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的精度推往一個(gè)又一個(gè)的極限。而且沒人知道，極限究竟應(yīng)該在哪里。

前沿科學(xué)也很瑣碎

在錦屏山，記者與上海交大課題組相處了三四天。以一個(gè)外行的眼光來看，這個(gè)工作既前沿，也充滿了瑣碎。

大量的時(shí)間耗費(fèi)在了儀器的調(diào)試、查錯(cuò)、安裝，然后是再調(diào)試、再查錯(cuò)上。其中一個(gè)工序是查漏—拿著探針，在注滿氙的探測(cè)器表面，慢慢檢查是否有氙氣的漏點(diǎn)。這次，他們查出的泄漏值是極其微弱的0.003毫升/秒。

之后，僅僅要將探測(cè)器從調(diào)試位置吊進(jìn)“屏蔽堡壘”，就要花兩天。探測(cè)器通過許多接口連接著各種管線，就像臍帶和神經(jīng)。每次吊裝，所有接口都會(huì)拆開，再接上。有時(shí)候，僅僅為了接上兩根管子，組成一根“臍帶”，就可能花上一個(gè)小時(shí)。因?yàn)檫@些接口都要求在高壓、低溫的條件下進(jìn)行，以保證絕對(duì)的密封。

吊裝就位后，就要往探測(cè)器里注入氙氣。而為保證氙氣的純凈度，加氙前，首先得用特殊的真空泵，將探測(cè)器內(nèi)的所有分子吸走。抽真空，起碼得三天。

暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)的不僅是物理，似乎也在考驗(yàn)人在精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性、耐心以及不犯錯(cuò)等方面的極限。任何通常條件下微不足道的閃失、誤差，在這里都可能被劇烈放大。因?yàn)榭茖W(xué)家要捕捉的，是最微小的粒子產(chǎn)生的最微弱的信號(hào)。因此，必須用最專業(yè)的精神來面對(duì)最瑣碎的一切。

季向東向記者講述了一個(gè)曾讓他冒汗的經(jīng)歷。暗物質(zhì)探測(cè)器的“心臟”，密布著一百多個(gè)昂貴又極端靈敏的光電管。此前，從未有人發(fā)現(xiàn)其中可能存在隱患，直到有一組日本科學(xué)家在他們自己的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)里發(fā)現(xiàn)，光電管背后的那層極薄的電鍍鋁膜，可能存在極其微量的放射性。

如果不能去掉這部分放射性干擾，日本小組的工作就很難繼續(xù)。此前，他們的研究處在世界最前列的位置。由于光電管是極端精密的商業(yè)化產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室無法修補(bǔ)，更不可能自制。唯一的出路，就是試著在容忍這些干擾的前提下，想辦法將被“污染”的數(shù)據(jù)排除掉。

可惜的是，日本的方案無法甄別光電管的干擾和暗物質(zhì)的信號(hào)，他們陷入了泥沼。

幸運(yùn)的是，PandaX實(shí)驗(yàn)可以剔除這部分噪聲。也就是說，整套裝置不用另起爐灶。

也許這就是科學(xué)。哪怕用盡所有努力，仍然需要一點(diǎn)運(yùn)氣。

當(dāng)然，運(yùn)氣不可能永遠(yuǎn)站在你這邊。記者在錦屏山時(shí)，恰逢探測(cè)器調(diào)試完畢，開始吊裝。季向東說，他希望吊裝就位后，就可以開始“守株待兔”、搜集數(shù)據(jù)了。可他也承認(rèn)，實(shí)際上這已經(jīng)是PandaX裝置在半年多時(shí)間里第十次重復(fù)這個(gè)動(dòng)作了。之前，每回吊裝，研究團(tuán)隊(duì)都希望是“最后一次”。不過，每次都最終會(huì)遇到一些意外的小問題，而不得不重新將探測(cè)器移出屏蔽體，拆開檢測(cè)。

所以，沒人能保證，這會(huì)是“最后一次”調(diào)試。

季向東說，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)有其特殊性。因?yàn)檫@一整套裝置中的多數(shù)組件，都是老師和學(xué)生們自己動(dòng)手DIY的。這與節(jié)約成本無關(guān)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要用到的大部分組件，根本沒有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品可買。

最簡(jiǎn)單的如探測(cè)器外的保溫套，就是博士生們像納鞋底一樣，一針一線，用一層層保溫紙縫出來的。連商業(yè)化程度非常高的氙氣都無法“拿來就用”。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)對(duì)精度要求太高，所以，交大在校園里自制了一個(gè)凈化塔，將買來的高純度氙再行深度過濾，將純度再提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)。

2012年8月，PandaX的整套實(shí)驗(yàn)裝置從上海運(yùn)抵錦屏山，之前，這套極其復(fù)雜而精密的裝置已經(jīng)在交大校園的實(shí)驗(yàn)室里接受了反復(fù)的優(yōu)化和測(cè)試。可以想象，DIY靠的就是手藝，但全手工就免不了誤差。

所以，必須耐心，同時(shí)保持信心。

眾人拾柴

為了準(zhǔn)備暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，中國科學(xué)家等了很久。

此前，因?yàn)槿狈ψ约旱牡叵聦?shí)驗(yàn)室，國內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)只能加入國外的暗物質(zhì)課題組。但在國外的項(xiàng)目中，中國團(tuán)隊(duì)幾乎不可能獲得主導(dǎo)地位，多數(shù)是扮演實(shí)驗(yàn)中某個(gè)技術(shù)支持的角色。

因此，當(dāng)錦屏山隧道被確認(rèn)具備建設(shè)國際級(jí)實(shí)驗(yàn)室的一切條件后，國內(nèi)科學(xué)界當(dāng)然是竭盡所能，讓這個(gè)夢(mèng)想成真。整個(gè)過程不必細(xì)表，但清華以及交大都付出了大量的努力，雅礱江水電公司也給予了積極的回應(yīng)。隨著實(shí)驗(yàn)室的土建部分完工，初步具備實(shí)驗(yàn)的條件后，錦屏山自然就對(duì)那些有志于暗物質(zhì)研究的人們構(gòu)成了強(qiáng)大的吸引力，一批原先在海外的學(xué)者來到中國，來到雅礱江邊。

就拿PandaX實(shí)驗(yàn)來說，季向東的團(tuán)隊(duì)是高度國際化的，許多人都曾在國際一流暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室工作并取得過不俗的成績(jī)。目前的研究骨干中，包括一批從中國赴海外留學(xué)的優(yōu)秀青年學(xué)者，更值得一提的是曾任Xenon100實(shí)驗(yàn)技術(shù)總監(jiān)的卡爾·吉伯尼。

Xenon100由美國哥倫比亞大學(xué)主導(dǎo)，依托意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室工作。這個(gè)團(tuán)隊(duì)曾長期在全球液氙暗物質(zhì)探測(cè)中居領(lǐng)先地位，而卡爾·吉伯尼就是Xenon100在工程技術(shù)環(huán)節(jié)的靈魂人物。目前，他已受聘于上海交大開展全職工作。

季向東曾向《自然》雜志表示：“我們想證明，國際一流水平的暗物質(zhì)研究也可能出現(xiàn)在中國。”面對(duì)本報(bào)記者，他解釋道，這句話一方面是給所有人的一個(gè)激勵(lì)，另一方面是真的懷有信心。

卡爾的加盟，使得PandaX“站上了前人的肩膀”。季向東說，PandaX充分汲取了Xenon100的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在技術(shù)路線上更進(jìn)了一步。如果順利，它可以更方便、快速地用于探測(cè)暗物質(zhì)的液氙用量，從100公斤上升到噸級(jí)—氙的用量決定了探測(cè)器的靈敏度。氙用得越多，與暗物質(zhì)碰撞的概率也越大，但整個(gè)裝置的維護(hù)難度也更高。

在PandaX的團(tuán)隊(duì)里，一批二十四五歲的博士研究生也許是最幸福也最辛苦的人。在這樣的年紀(jì)直接參與一流的物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)然幸福，但長期駐扎在偏遠(yuǎn)山區(qū)也有許多辛苦。從2012年8月到2013年4月，肖夢(mèng)嬌只在過年時(shí)回家，離開了不到2周；在此之前，為了將實(shí)驗(yàn)器材從上海押運(yùn)到錦屏山，隨車的談安迪三天三夜沒合眼。

在錦屏山，博士生們根本沒有休息日，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室每天都有事要忙。但他們同時(shí)也告訴記者，他們“說不出理由地喜歡物理”。

不得不提的還有錦屏當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)者。沒有雅礱江水電公司的支持，科學(xué)家們根本不可能在大山里得到一個(gè)實(shí)驗(yàn)空間；而離開后勤，地下實(shí)驗(yàn)室只是一個(gè)黑暗的孤島。

季向東說，為了建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境，雅礱江公司和清華大學(xué)僅為搭建專用的通風(fēng)管路，投入資金就將近500萬元。如果通風(fēng)不暢，巖石釋放的氡氣會(huì)讓實(shí)驗(yàn)室里的放射性水平迅速超標(biāo)。

一路采訪中，記者也不斷體會(huì)著基層勞動(dòng)者對(duì)研究者的感情。從駕駛員、建筑工到后勤經(jīng)理，雖然他們很難答得上“暗物質(zhì)是啥”的問題，但所有人都用百分之百的努力，回應(yīng)著科學(xué)家的各種需求，而且，這些支持與付出，說到底都是他們的分外事。

季向東說，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)要拼命去做，但結(jié)果沒人能預(yù)料，也有可能最終一無所獲。

從科學(xué)上，目前的實(shí)驗(yàn)如果不能發(fā)現(xiàn)WIMP粒子，就等于是為這種粒子的大小劃定了一個(gè)上限，這也可以為后續(xù)更高水平的研究指出方向。

但除此之外，季向東更看重暗物質(zhì)探測(cè)的文化意義。

他說，如今的中國應(yīng)該有能力、也有理由擁有這類國際一流的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。從功利的角度來看，暗物質(zhì)即使被發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)也的確不會(huì)有任何用處，但毫無疑問，這個(gè)探索一定能提升中國的軟實(shí)力。更何況，正如歷史上那么多“無用的研究”一樣，科學(xué)總會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，給予矢志于它的人們一個(gè)巨大而又意外的回報(bào)。

（本文轉(zhuǎn)自《文匯報(bào)》）