为何要“钻”到地下探测暗物质？

北莫寒

暗物质和暗能量占宇宙总物质-能量的96%

据中科院高能物理研究所研究员、“千人计划”入选者张双南发文《空间时代的天文学研究——从空间天文观测到诺贝尔物理学奖》显示，宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量分别占宇宙总的物质-能量的比例为4%、23%和73%，但目前物理学中即使是最成功的粒子物理标准模型也只能接受宇宙中的普通物质，也就是说我们对90%以上的宇宙成分几乎一无所知。

关于暗物质，普遍的理论认为，在宇宙中只有四分之一的物质是可见的，而那四分之三的不可见神秘物质就是所谓的暗物质。暗物质粒子的奇特之处就在于，当它们穿过某物体时，就像对方不存在一样，无视其碰撞体。

中国锦屏地下实验室位于四川省凉山州，是目前世界埋深最深的地下实验室。

为什么要在地下深处建造实验室？

中科院发布的《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究报告显示，“揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。为此，需投资建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置，包括地下和太空的粒子探测器和在南极建立大口径天文望远镜，以取得第一手实验数据，在国际竞争中处于主导地位。”

为此，用于探测暗物质和暗能量的众多实验装置，其中就包括地下实验室。这种特殊的实验室还能帮助地质学家和生态学家解决许多问题。

实验需要最“干净”的环境。这里的“干净”，是指辐射最少、杂质最少。所以应尽量遮蔽住宇宙射线，用岩石阻挡。

为了让实验室变得更“干净”，工作人员还对环境进行了特殊的包装。实验室外层是1米厚的聚乙烯材料，用于阻拦和吸引中子;然后是20厘米厚的铅层，用于屏蔽外部的伽马射线;20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子;10厘米厚的高纯无氧铜，用于阻挡铅材料及外部其他材料中的伽马射线。这些屏蔽设备几乎屏蔽掉了能够考虑到的一切辐射源。

垂直岩石覆盖厚度达2400米

为何要“钻”到地下去探测

暗物质是种特殊的粒子，它们的质量很大，但作用力却微乎其微。每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体，但你却感受不到，因为暗物质的散射截面很小。打个比方，就像一只足球能被球网挡住，但是一个小铁球就能穿网而过，就是因为它的截面比球网的网格小。

就如何“网”住暗物质，科学家也想了很多办法。最初的办法是天文观测，但却无法解答“暗物质是什么”。后来，科学家又尝试通过地面或太空望远镜，探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，还用原子核与暗物质碰撞，探测碰撞产生的信号。而在地面上，宇宙射线众多，干扰了探测。而地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。

世界上最深的地下实验室

在中国四川省的大山深处，有一个非常神奇的实验室——中国锦屏地下实验室，垂直岩石覆盖厚度达2400米，是目前世界上埋深最深的地下实验室。

“中国锦屏地下实验室”是利用二滩公司为建设水电站而修建的锦屏山隧道建成，这条隧道除了有约2400米的岩石覆盖层外，洞内岩体天然放射性极低，非常适合开展暗物质探测等基础科学领域的探测试验。且极深的地下也是对低放射性材料、环境核辐射污染进行检测的良好环境。

锦屏地下实验室主要做哪些实验？

中国锦屏地下实验室由清华大学运营，目前用两种方法进行暗物质探测实验：高纯锗实验和液态氙实验。

2012年，清华大学主导的CDEX实验组在锦屏地下实验室里获得了第一批宝贵的数据，并展开了数据分析。2013年，实验组的首个研究成果发表在国际权威物理期刊《物理评论D》上，这是中国第一个自主开展暗物质实验研究的物理结果。该实验成果对低质量区暗物质粒子的探测灵敏度达到了国际一流水平。

上海交通大学主导的科研团队在锦屏实验室进行熊猫计划（Panda X），该实验利用在空气中提纯的惰性元素氙作为探测媒介来寻找暗物质。其中的Panda X-I 125千克级氙探测器已经于2014年3月正式运行开始探测数据，是中国开展的首个百千克级大型暗物质实验，它的运行结果标志着中国在暗物质探测这个前沿科学领域跨进世界先进行列。

使用液态氙进行暗物质探测实验的“熊猫X”团队的负责人、上海交通大学和马里兰大学的物理学家、中国“千人计划”入选者季向东说，“我们计划进行一个终极的暗物质捕捉实验，使用20吨的液态氙”，这比目前任何一个同类实验使用的液态氙都要多，“熊猫X”团队现在液态氙的使用量是37千克。

从2014年8月开始，中国锦屏地下实验室二期工程开始建设。不久以后，世界各地的科学家就能在这里开展深地科学研究。在扩建好的实验空间中，研究人员还将开展“核天体物理学”研究。核天体物理是核物理与天体物理的交叉学科，用核（粒子）物理的理论方法研究星体演化等问题。