互动科普

暗物质探测如火如荼

为了克服上述这些困难，国际前沿的暗物质实验都研发了各自的绝活。更为激动人心的是，有好几个实验都宣称看到了疑似信号。也许对暗物质的直接探测离我们已经不远了。当然，也存在着另外的可能，就是暗物质并非WIMP，那么这种类型的实验就探测不到。

目前处于领先地位的有DAMA（Dark Matter）、CRESST（Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers）等实验，它们都有各自的高灵敏度探测器。DAMA实验位于意大利的GRAN SASSO地下实验室，选取碘化钠晶体做探测器，使用了非常灵敏的光电管来探测碰撞后产生的光信号，光电管可以探测到一个光子（肉眼在白天每秒会看到10¹⁶个光子）。中国科学院高能物理研究所有几位科学家是该实验组成员。DAMA经过了十几年的观测，宣布发现了WIMP的年调制信号，所谓年调制，是指WIMP相对于太阳的速度是一定的，而地球在围绕太阳公转，因此，WIMP相对于地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信号的出现次数也会有周期一年的起伏。不过这一结果没有得到其他实验组的证实。

同样位于GRAN SASSO的CRESST实验使用钨酸钙（CaWO4）晶体作为探测器，位于美国SOUDAN地下实验室的CDMS实验使用硅晶体和锗晶体作为探测器。它们将晶体冷却到零下273℃，只比绝对零度高0.15℃。WIMP碰撞产生的热信号会造成晶体温度升高0.01℃，再通过高灵敏度的“温度计”来测量温度变化。CRESST一期结果已经发表，没有找到暗物质，二期结果正在分析之中。CDMS经过一年多的观测，在2009年底发表了测量结果，宣布找到了两例疑似WIMP信号事例。尽管有一定的可能性是噪声事例，还是引起了科学界的极大关注。

美国的CoGeNT实验使用高纯锗探测器来观测WIMP碰撞产生的电信号，也发现了疑似信号事例，这还有待于进一步证实。位于GRAN SASSO地下实验室的XENON100实验是目前灵敏度最高的实验之一，上海交通大学是参加实验的单位之一。XENON100使用了165千克的液氙作为探测器，能够探测光信号和电信号，通过两者之间的比例关系，可以更有效地区分WIMP信号和外界普通粒子引起的信号，从而大大提高了实验灵敏度。在2010年初发表了1个月的观测结果，并没有看到暗物质粒子。目前该实验已经采集了一年的数据，正在紧张地进行数据分析。是否会发现暗物质粒子，大家都拭目以待。另外还有位于韩国襄阳（Yangyang）地下实验室的KIMS实验，使用碘化铯晶体，清华大学是其合作单位。

如上所述，地下实验室是暗物质实验一个必不可少的条件。目前，国际上的地下实验室有十几个，为了避免专门挖掘地下实验室的高成本，它们都是利用已有的土建设施，基本分为两类，一类是利用废弃的矿井，比如位于加拿大Sudbury的2000米深的SNO地下实验室，美国700米深的SOUDAN地下实验室，在建的DUSEL地下实验室有几百米到2400米深的多个实验厅。另一种是利用隧道，在隧道里横向挖出实验大厅。最著名的有意大利的GRAN SASSO地下实验室，入口建在一条10公里长高速路隧道的中部，上方有1700米岩石覆盖，实验室内有3个各100米长，20米宽，20米高的实验大厅和众多的较小的实验厅和通道，内容积目前居世界第一位。相比矿井而言，隧道在使用上要方便得多，可以直接开车运输探测器。同时，相对于竖井的尺寸，通常隧道直径要大得多，减少了对探测器大小的限制。但是，隧道的深度受到山高的限制，对于比较短的隧道而言，还要考虑从山侧穿入的宇宙射线。因此，要找到大埋深的长隧道并不是那么容易的事。

加拿大SNO地下实验室和SNO太阳中微子实验

锦屏地下实验室具备世界最好条件

在我国四川西昌地区的锦屏山有条件极好的隧道。为了利用雅砻江的水能资源，二滩水电公司正在锦屏山附近修建水电站。雅砻江在这里有一个U字形的大转弯，长达200多公里，然而直线距离不过20多公里。填充U字形中心的是海拔4000多米、相对高差2500多米的锦屏山。为了方便水电工程建设，二滩公司在这里修建了两条长17.5公里的交通隧道，供施工车辆通行，其中一条已经投入使用。这条隧道上方覆盖着2.5公里厚的岩层，是世界第二深的隧道。经过清华大学的沟通和协助，二滩公司经过3个多月的努力，在隧道正中横向挖出了一个实验大厅。此后，清华大学组织完成了实验室的土建、电力、安全、监控、网络等系统的安装，在大厅墙壁上涂了防氡漆，以尽量阻断岩体释放有放射性的氡气。还计划建立空气洁净系统，排除灰尘和汽车尾气等杂质微粒。总之，要尽量排除环境对实验的干扰。

锦屏地下实验室示意图

2010年12月，中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅，尽管目前大厅总容积不是很大，但它是目前世界上条件最好的地下实验室。首先，它是当前世界上最深的地下实验室，上方有2.5公里岩层覆盖，宇宙射线通量最少，每平方米每周只有一个m子通过，比意大利GRAN SASSO实验室小300倍。其次，地下实验室所在处不是花岗岩，而是大理岩，其自然放射性相当低，实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低，和意大利GRAN SASSO的岩石相比，放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数，包括宇宙射线通量、光子和中子的通量，都在测量之中。

该实验室内目前计划有两个暗物质实验。CDEX（China Darkmatter Experiment）实验组由来自清华大学、四川大学、中国原子能院和台湾中央研究院等高校和科研机构的物理学家组成，第一步计划使用10千克的超低能量域高纯锗点接触探测器来寻找轻质量的WIMP粒子，周围的屏蔽体由1米厚聚乙烯、20厘米厚铅、20厘米厚的含硼聚乙烯和10厘米厚的铜组成，将绝大部分外界光子和中子“拒之门外”。目前该实验已经在试运行阶段。另一个实验PANDAX（Particle AND Astroparticle Xenon observatory）由上海交通大学、山东大学、上海应用物理研究所以及北京大学组成，第一步计划使用300千克的液氙探测器来寻找质量较重的WIMP粒子。目前正在紧张的设计制造之中，这个实验也会用到60厘米厚的聚乙烯、20厘米厚的铅和10厘米厚的铜做屏蔽体。预计2011年3月开始搭建。这两个暗物质实验组都具有国际一流的科研实力。同时，中国科学院高能物理研究所也正在开展地下暗物质实验的研究。所有这些都标志着，中国物理学界为进入世界一流暗物质实验行列，已经迈出了坚实的第一步。

虽然从目前来看，我们还不能明确知晓暗物质或暗能量的直接应用价值是什么，但是，这二者加起来占了宇宙总质量的95%，这说明它们是极其普遍的现象。此外，这二者的存在对整个科学理论都是挑战。因此，对暗物质和暗能量的研究是极有意义的。

（本文发表于《科学世界》2011年第3期）