黃增強
在許多科幻影視作品里,一些國家或者科學怪人都建有秘密的實驗室,有的建在數(shù)萬米的高空中,有的建在幾千米的深?;虻叵?。在中國有這么一個實驗室,它建造在2400米深的地下,這個地下實驗室肩負著探尋被科學家稱為“宇宙幽靈”的暗物質(zhì)的重任。
所謂暗物質(zhì),通俗地講就是指那些既不發(fā)射光,又不吸收和反射光的物質(zhì),其特性主要表現(xiàn)為:它是一種比電子和光子還要小的物質(zhì),不帶電荷,不與電子發(fā)生干擾,能夠穿越電磁波和引力場;它不發(fā)光,也不發(fā)出電磁波,雖然看不見,摸不著,但無處不在;它無法直接觀測得到,但它與通常的物質(zhì)一樣,具有引力作用,能干擾星體發(fā)出的光波或引力;它的密度小,其存在能被明顯地感受到,且速度快,數(shù)量和總質(zhì)量很大。
科學家曾將宇宙比喻成一個由三個部分組成的大餅,其中普通物質(zhì)占5%,暗物質(zhì)占27%,暗能量占68%,由此可以看出,暗物質(zhì)是宇宙的重要組成部分。據(jù)宇宙學科學家的研究表明,宇宙結構的形成和演變正是暗物質(zhì)促成的,如果沒有暗物質(zhì)的存在,就不會形成今天的星系,就沒有恒星和行星,也談不上今天的人類了。因此,如果我們不去了解暗物質(zhì)的性質(zhì),就不能了解宇宙和宇宙的演化。
暗物質(zhì)既然存在于宇宙中,為何我們還要選擇到地下去探測呢?世界上有哪些國家在地下建立了探尋暗物質(zhì)的實驗室呢?
暗物質(zhì)雖然神秘,但科學家在探測實驗中發(fā)現(xiàn),只要讓原子核與暗物質(zhì)發(fā)生碰撞,就有可能探測到碰撞產(chǎn)生的信號。在地表,宇宙射線和生活輻射會嚴重干擾暗物質(zhì)的探測,即使有時候原子核與暗物質(zhì)發(fā)生有效撞擊,但碰撞產(chǎn)生的信號會因為這些干擾而無法被鑒別。所以,在輻射極低的地下,可以最大限度地屏蔽宇宙射線等影響,有效探測到碰撞信號。
一些國家為了探測暗物質(zhì),紛紛建立了地下實驗室。意大利、美國、日本、俄羅斯等國都建立了地下實驗室,且取得了重大的科研成果。意大利的格蘭莎索實驗室建造在地下1400米深處,美國的桑德福實驗室位于地下1500米深處。
隨著科學技術研究的不斷進步,我國也對詭秘的暗物質(zhì)進行了研究。2009年,由清華大學主導,聯(lián)合上海交通大學、四川大學、南開大學、北京師范大學、中國原子能科學研究院等多家單位組成暗物質(zhì)實驗研究團隊,在四川錦屏山隧道中間位置的地下修建了極深地下實驗室。2010年12月,實驗室建成并投入使用。錦屏地下在錦屏山地下2400米,共有4組8個實驗室,容積為4000立方米。2014年,“中國錦屏地下實驗室”二期工程開始投入建設,此實驗室與國際上其他的地下實驗室相比,巖石覆蓋最深、宇宙線通量最小、可用空間最大。實驗室內(nèi),宇宙射線通量可以降到地面水平的億分之一。這個實驗室是我國首個極深地下實驗室,也是全球最深的地下實驗室。如今,清華大學領導的CDEX(中國暗物質(zhì)實驗)高純鍺暗物質(zhì)實驗和上海交通大學領導的PandaX(熊貓計劃)液氙暗物質(zhì)實驗項目已入駐錦屏實驗室。
錦屏地下實驗室自建成投入使用以來,清華大學、上海交通大學各自主導的暗物質(zhì)探測實驗均取得了一系列研究成果。2014年,清華大學暗物質(zhì)實驗組獲得了在10GeV(能量單位,表示十億電子伏特)以下能區(qū)里同類探測器最靈敏的實驗結果,排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域。2016年,上海交通大學暗物質(zhì)實驗組二期500千克液氙暗物質(zhì)探測器運行的第一個物理結果公布,在3.3萬千克/天的曝光量下,未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡,對可能的暗物質(zhì)候選對象給出了最新的限制。在較短的時間內(nèi),清華大學、上海交通大學等暗物質(zhì)研究取得的研究成果表明,我國暗物質(zhì)探測實驗從無到有,研究水平達到國際先進,由“跟跑” 變成“并跑”,最終成為“領跑”。
2019年7月20日,錦屏地下實驗室又啟動了新階段建設,“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”項目正式進駐地底,開始安裝實驗設備,這標志著我國暗物質(zhì)研究將進入新的研究階段。
我國對宇宙中最詭秘的暗物質(zhì)進行了九年的研究探測,目前雖然還沒有探測到暗物質(zhì),但暗物質(zhì)的藏身范圍已越來越小,我們已接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣。錦屏地下實驗室新階段建設完工后,實驗室總?cè)莘e將從原來的4000立方米擴容到30萬立方米,可容納更多的實驗組。
隨著暗物質(zhì)探測技術日趨成熟和探測靈敏度的提升,我國有望率先找到“宇宙幽靈” 暗物質(zhì)。相信在不久的將來,暗物質(zhì)也會像黑洞一樣被人們找到和拍到。當暗物質(zhì)的神秘面紗被揭開后,人們會進一步認識和理解宇宙的起源、構成和演化,暗物質(zhì)將被運用到更廣闊的領域。