地下2300米「在2400米地下捕捉的暗物质是什么神秘东西新京报专栏」

中国锦屏地下实验室位于2400米的地下。图/新华社

在四川凉山彝族自治州的雅砻江锦屏大河湾，锦屏水电站下方，现在正稳步推进“中国锦屏地下实验室”二期项目，其位于岩石覆盖下方深达2400米的地下，是世界最深最大的极深地下实验室。

而暗物质一直是个谜，抓取难度很大，到目前为止，世界上也没有人真正“捕捉”到它。

“纯净”背景更容易“捕捉”暗物质

为什么研究一个宇宙课题，要“向深地进军”？

你有没有在伸手不见五指的夜里看过星空？漆黑背景更加衬托出了繁星的璀璨。我们的地球、太阳还有看得见的星辰，这些发光或者反射光线的物质都是由原子构成的，天文学家和物理学家称之为普通物质。普通物质的特征是包括电磁作用，简而言之，可以发光或吸收光。

在我们宇宙中，普通物质仅仅占宇宙成分的5%，还有近20%是暗物质，另外75%是更加诡异的暗能量。暗物质不发光，我们无法用普通实验手段去“捕捉”它；而暗能量则在推动宇宙加速膨胀，使其密度更加稀薄。

天文学家凭什么知道暗物质存在呢？暗物质虽然不发光，但它也有引力作用。在我们的星系尺度上，它提供了大部分引力，把星系束缚成我们现在看到的样子。如果没有暗物质，星系大部分就会飞散了。

可这种方法，只是让我们知道暗物质存在，并没有透露暗物质的具体成分，所以科学家们还是希望能“抓”到暗物质或者它们衰变之后的次级成分，通过数据重建，从而更好地理解暗物质的成分，进一步掌握宇宙演化、星系形成等规律。

事实上，寻找暗物质也有多种方法。比如，我国紫金山天文台在2015年底发射了“悟空号”暗物质探测卫星，希望通过太空宇宙线（来自天体的高能粒子）的成分，寻找因为暗物质衰变之后的痕迹。这颗卫星在宇宙线研究已经取得了相当多成果。这是在太空里寻找暗物质。而更早的例子，是著名的美籍华人科学家丁肇中先生，在国际空间站上安置的阿尔法磁谱仪。

在地下实验室寻找暗物质，或者其他粒子，则是更常见的做法。欧美日本此前已经利用废弃的矿井建设了多个地下实验室。这种方法的关键，是利用厚厚的岩层阻挡来自宇宙空间的高能粒子，提供“纯净”的背景，让暗物质衰变产生的粒子突显出来。

中国锦屏地下实验室二期CDEX合作组实验大厅。图/新华社

令中国暗物质研究赶超国外先进水平

暗物质寻找，目前得到的基本是零结果，是逐渐排除“不存在”的能谱区域。有意思的是，在这个过程中，往往得到许多意想不到的其他成果。

20世纪60年代，美国物理学家利用废弃金矿建设的1600米深的地下实验室，成功探测到了太阳中微子。日本岐阜县神冈町一个深达1000米的废弃砷矿中建造的大型中微子探测器，意外探测到了超新星1987A的中微子，主持两代探测器的小柴昌俊、梶田隆章先后摘得了诺贝尔物理学奖桂冠。

所以，这样的地下实验室，不只是普通意义上的一座实验室，而是集中了多种学科、多种科学目标的大型实验中心。2008年锦屏山隧道全线贯通时，清华大学工程物理系一位老师注意到了这里的岩石覆盖达2400米，这正是科学家梦寐以求的“黑暗环境”，可以令中国的暗物质研究赶超国外先进水平。

2010年12月12日，“中国锦屏地下实验室”正式揭牌，清华大学暗物质探测实验组率先入驻，采用半导体材料进行探测；2011年上海交通大学物理系的研究团队也入驻，使用液氙探测器工作。两支团队两种方法独立探测，可以交叉验证，并检验更广的能谱区域。

从地面到达地下实验室，需要在隧道内开车大概20分钟。而仪器在运行稳定状态下并不需要工作人员在地下值守，只需在地面上的办公室监控，实验数据会自动上传。

锦屏地下实验室的建成，帮助中国科学家实现暗物质研究领域从无到有、从跟跑到并跑的跨越，并获得一系列国际一流水平的暗物质研究成果。

比如，去年上海交通大学教授、中国锦屏地下实验室“熊猫”实验发言人刘江来博士在马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上，公布了首个暗物质搜寻结果。此次结果基于PandaX-4T试运行95天的数据，用0.63吨·年的曝光量，再次刷新了暗物质性质的边界值。

现在锦屏地下实验室正在扩建的二期工程，将从现有4000立方米扩容到12万立方米。相信会有更多的国际领先的实验成果，不断地从锦屏地下实验室里涌现，正如我们在至暗的夜空，才能看到最辉煌的星空。

撰稿/孙正凡（科普作家）

校对/刘越