涼山州錦屏山2500米深處,科學家們正探尋“宇宙最神秘粒子”
  “很高興來到這裡,我現在算是半個四川人了。”這是11月28日下午,季向東在成都七中學術報告廳說的第一句話。
  實際上,這位上海交通大學講席教授、國家“千人計劃”專家與四川的緣分始於4年前,由他領銜的探測世界科學最前沿的暗物質研究計劃之一——PandaX(粒子和天體物理氙探測器)計劃在四川啟動。
  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驗室里,季向東和他團隊的40多人,“與世隔絕”地進行著一場名為“探尋宇宙中最神秘粒子”的賽跑,併在今年取得了突破性進展。
  A
  “96%團隊”
  2002年,美國國家研究委員會的一份報告列出了新世紀要解答的11個科技問題,其中就有暗物質。2008年,歐洲推出的粒子天文學路線圖列出7個重要領域,暗物質排在第一。
  暗物質是什麼?講座上,季向東一來就先回答了這個問題:“可以輕鬆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。”暗物質是指不發射任何光及電磁輻射的物質,目前人們只能通過引力產生的效應得知其存在。
  過去,人們認為地球、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類似太陽的恆星,宇宙中有千億個星系,也都是“普通物質”構成。“窮盡我們目前的認識和感知極限,所有由我們熟知的原子、分子構成的普通物質,只占宇宙的4%,而其他的96%,是暗物質和暗能量。根據現在的瞭解,暗能量約占宇宙總能量的73%,暗物質約占宇宙總能量的23%。”
  研究宇宙普通物質之外那96%能量的專家,稱自己為“96%團隊”。2006年和2011年的諾貝爾物理學獎得主,就來自這個“團隊”。但在季向東看來,儘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?季向東進一步說明,每秒鐘大約有上億個暗物質原子穿過我們的身體,而我們身體里內原子數量大約有1億億億個,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,我們身體里的原子每天被宇宙線、放射性物質撞飛的次數大概是上億次。
  B
  “守株待兔”實驗
  將一枝當日採摘的紅玫瑰放入一個不斷涌出白霧的盆子,會發生什麼?講座中,季向東給現場學生變起了“魔術”。
  幾分鐘後,當他將玫瑰花取出,往地上一扔,玫瑰花瞬間成碎片狀散落一地。“白霧是液氮,這個實驗說明,經過液化處理的惰性氣體有著超低的溫度,我們正在進行的暗物質探測就要用到這種液化後的惰性元素,只不過用的是無色、透明、絕緣的液氙”。
  探,是研究的第一步。因為暗物質跟普通物質幾乎不相互作用,所以由普通物質建成的探測器很難感知它的存在,要抓住這個“幽靈”,需要造一個非常靈敏的探測器。目前,全球有20多個直接探測實驗組,運用多種不同的探測技術,分佈在世界各地下實驗室。Pan-daX計劃,利用的是比較成熟和易於做大的液氙技術。
  氙在零下100攝氏度的時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,宇宙中的一顆暗物質粒子與探測器中的某一顆氙原子相撞,撞飛的氙原子會發光發電,相當於“樹”在搖動,這個動靜會被探測器內部的光電感應系統捕捉到。由此產生的這組數據,會傳輸至後臺的計算機進行分析研究。季向東說,這個實驗,就是“守株待兔”。
  而即使有了技術和裝置,實驗也不一定能開展。因為即使暗物質和普通物質的原子撞到了,也只產生極其微弱的光電信號,且必須被及時探測並捕獲。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。為屏蔽不計其數的粒子撞擊信號,實驗必須深入地下。
  錦屏二級水電站的建設,讓這個科學計劃找到了絕佳的實驗室。
  2010年,在錦屏二級水電站的交通隧洞向外擴挖的支洞內,中國首個極深地下實驗室“中國錦屏地下實驗室”投用,實驗室垂直岩石覆蓋約2500米,厚度居世界第一。上海交大的PandaX計劃在此建立了實驗室,這也是我國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗。這個實驗室所受到的宇宙線干擾比地面少100萬倍,宇宙線噪聲指標約為全球最著名的地下實驗室——意大利格蘭薩索實驗室的1/300。
  C
  “半噸級”實驗
  在錦屏山深處這個約40米長、6米多寬、7米多高的實驗室里,季向東的研究進展迅速:2012年8月,實驗裝置到達;2013年3月,開始現場系統聯調;2014年3月,120公斤級液氙探測器開始物理運行。
  今年8月24日,PandaX實驗組在上海發表了立項4年來的首批物理數據:在今年5月開始的暗物質探測數據中,探測器記錄了約400萬個粒子撞擊事例,在暗物質可能產生的“能量區”大約有1萬個事例,而在探測器最“安靜”的中心——37公斤液氙中只有46個事例。且這46個事例全部來自放射性本底,沒有暗物質留下的痕跡。這也對以往國際上發現的疑似輕質量暗物質信號提出質疑。
  8月26日,全球頂尖的《科學》雜誌報道了由中國科學家主導、在四川進行的科學實驗成果,題為《探索暗物質,中國團隊迎頭趕上》。
  目前,PandaX正建造一個500公斤液態氙的探測器,裝置將於年底前運抵四川,預計明年正式運行。屆時,“半噸級”實驗將是世界最大規模,靈敏度可比現有裝置放大20倍左右,並可進入重質量暗物質信號區進行搜索。季向東表示,隨著能級提升,中國人有望率先找到理論預言的、較重質量的一類暗物質粒子,“我們已接近發現暗物質的邊緣”。
  對話
  研究暗物質是想對這個世界瞭解更多
  如果最終通過反覆的實驗,還是發現不了暗物質怎麼辦呢?
  季向東沒有直接回答這個問題,而是回憶起第一次進到錦屏山下的情景: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,一行人走進了隧道。
  而實驗室開始運行後的每一天,實驗組的常駐老師和學生,都從隧道東出口的營地宿捨出發,坐車進入隧道的實驗室。中午回宿舍吃飯後再進洞,直到晚上,有的人一年要在這裡獃上300多天。“原來課題組曾計劃中午不出洞,把飯帶進實驗室吃,這就可以省時間。但試了之後發現,這樣與世隔絕地在洞里從早待到晚,心理上扛不住。”
  一項如此艱難的實驗,探索一個未知的東西,探測出來也未見得有現實的應用,並且不確定能夠成功,為什麼還要做?季向東說,重大基礎科學的研究,都不可能是立竿見影的,但這些前沿理論的研究,會催生和發展出很多實用技術。比如今天改變全世界的互聯網,就是因為當初要解決高能物理研究過程大量分佈計算問題而誕生的。
  “也許造福的是百年甚至更久以後的人,但我們今天之所以做這項研究,是因為我們想對這個世界瞭解得更多。”而如果研究的結果是沒有暗物質,季向東認為,則說明我們對宇宙的認知,還存在著重大的缺陷,“我們目前構想的宇宙藍圖,恐怕就要重新描繪了。”
  記者手記
  從影響年輕人開始
  即使需要當天往返成都與上海,即使是在全球最大規模最靈敏暗物質探測器最後試裝的關鍵時刻,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。
  這位加州理工大學和麻省理工大學博士後、曾在國外長期從事天體物理和宇宙學研究的科學家說,影響當今世界發展的重大科學發現,大多都來自國外科學家。中國經濟的高速發展,正是建立在這些全人類的偉大發明之上,而隨著我們經濟社會的進步,需要更多自主的科學研究,在世界最前沿的領域做出中國的貢獻。希望,就在年輕人身上。不論是在成都七中給學生介紹暗物質,還是在上海交大給一年級的本科生上課,或者是邀請中學生去錦屏實驗室實習,都是希望在他們非常年輕的時候,培養“想做世界一流研究”的興趣。而培養興趣最好的辦法,就是參與。
  □本報記者 範英 張嵐 趙若言
  (原標題:“我們已接近發現暗物質的邊緣”)
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