于“最深最黑”處趨近暗物質(zhì)
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 2014-12-29 王珊
暗物質(zhì)和暗能量被并稱(chēng)為21世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)晴朗天空中的“兩朵烏云”。在宇宙構(gòu)成中，人類(lèi)已知物質(zhì)占宇宙的組份不到5%，而暗物質(zhì)的比例幾乎是已知物質(zhì)的5倍多。
自從上世紀(jì)30年代美國(guó)加州理工學(xué)院的弗里茲•茲威基首次提出暗物質(zhì)存在的可能性，人類(lèi)開(kāi)始獲得越來(lái)越多和越來(lái)越精確的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)，并日益趨近暗物質(zhì)的存在。
了解暗物質(zhì)，是21世紀(jì)科學(xué)征程中的一大挑戰(zhàn)。2002年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)的一份報(bào)告列出了新世紀(jì)要解答的11個(gè)科學(xué)問(wèn)題，其中“什么是暗物質(zhì)”研究位列首位。2008年，歐洲推出的粒子天文學(xué)路線(xiàn)圖列出7個(gè)重要領(lǐng)域，暗物質(zhì)排在第一。
2014年，對(duì)暗物質(zhì)的探尋依然是物理學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。而近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家也圍繞暗物質(zhì)的探測(cè)進(jìn)行了周密部署。
2009年，科技部將暗物質(zhì)和暗能量研究納入國(guó)家“973”計(jì)劃前沿交叉領(lǐng)域。在中科院戰(zhàn)略研究系列報(bào)告《科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來(lái)》中，暗物質(zhì)和暗能量被列為可能出現(xiàn)革命性突破的基本科學(xué)問(wèn)題之一。
實(shí)現(xiàn)“最深最黑的夢(mèng)”
從開(kāi)始籌建到運(yùn)行，四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一直是全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。
因?yàn)椴话l(fā)射任何光及電磁輻射，科學(xué)家只能通過(guò)引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知暗物質(zhì)的存在。而利用探測(cè)器直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生信號(hào)的地下實(shí)驗(yàn)，是目前尋找暗物質(zhì)粒子最重要的探測(cè)方式。
“暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很微弱。”以清華大學(xué)為主導(dǎo)的中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)CDEX合作組即是國(guó)內(nèi)地下實(shí)驗(yàn)的代表。其成員清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫說(shuō)，把探測(cè)器放置在很深的地下，可大大減少宇宙線(xiàn)與探測(cè)器碰撞產(chǎn)生的背景信號(hào)。
在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成之前，岳騫等人不得不在國(guó)外開(kāi)展暗物質(zhì)研究。對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，能在國(guó)內(nèi)找到地方、以主人的身份作研究，是他們“最深最黑的夢(mèng)”。
多年來(lái)，岳騫一直在干的一件事情就是在國(guó)內(nèi)找“洞”。岳騫和同事下過(guò)煤礦、去過(guò)隧道，但一直沒(méi)有找到理想的選址。
“有，不代表就可以用。”探測(cè)暗物質(zhì)的條件非?？量獭?ldquo;這需要非常潔凈的空間，不能有大震動(dòng)，不能有太多宇宙線(xiàn)粒子，不可以有太多的放射性，交通還要方便。”清華大學(xué)副校長(zhǎng)、中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任程建平說(shuō)。
直到2008年，岳騫在電視里看到位于錦屏水電站的錦屏隧道貫通的消息。“這不就是我們要找的洞嗎？巖石埋深大、宇宙線(xiàn)通量極低、巖石天然本底低，交通便利、配套設(shè)施完善！”岳騫等人激動(dòng)萬(wàn)分。
2009年5月8日，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，聯(lián)合建立中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
2010年年底，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期投入使用。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是國(guó)際上巖石覆蓋最深的地下實(shí)驗(yàn)室，被稱(chēng)為探尋暗物質(zhì)“最干凈的地方”。
當(dāng)時(shí)，《科學(xué)》雜志發(fā)文稱(chēng)：中國(guó)科學(xué)家希望“最深最黑的夢(mèng)”變成現(xiàn)實(shí)。
5年探尋碩果累累
如果將暗物質(zhì)粒子比喻成一條魚(yú)，在一個(gè)漫無(wú)邊際的海洋中存在，那么找到這條魚(yú)，就是找尋暗物質(zhì)的過(guò)程。
清華大學(xué)的“捕魚(yú)”工具是“高純鍺探測(cè)器”。早在2003年，實(shí)驗(yàn)組就率先在國(guó)際上提出，利用極低能量閾高純鍺作為探測(cè)器開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)的構(gòu)想。鍺是一種優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，最大限度地提高鍺的純度可有效去除探測(cè)器自身的放射性干擾。
如今，CDEX合作組研制的1公斤點(diǎn)電極高純鍺單元探測(cè)器已是國(guó)際上點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器中靈敏度最高的探測(cè)器系統(tǒng)。
今年11月11日，國(guó)際著名期刊《物理評(píng)論D》快報(bào)欄目發(fā)表了該合作組的研究成果。該成果進(jìn)一步縮小了暗物質(zhì)的存在區(qū)域，同時(shí)推翻了美國(guó)CoGeNT暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組近年來(lái)宣稱(chēng)“已經(jīng)探測(cè)到暗物質(zhì)存在區(qū)域”的結(jié)論。后者曾讓全世界的科學(xué)家為之興奮不已。
英國(guó)皇家科學(xué)院院士、歐洲核子中心理論部教授約翰•艾力斯在評(píng)論這一成果時(shí)表示：“在暗物質(zhì)尋找過(guò)程中，特別是近年來(lái)在輕質(zhì)量暗物質(zhì)區(qū)間有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相矛盾的情況下，中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有國(guó)際前沿水平。”
其實(shí)，CDEX合作組只是中國(guó)暗物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)的一部分。
2010年，國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“暗物質(zhì)、暗能量的理論研究及實(shí)驗(yàn)預(yù)研”啟動(dòng)。該項(xiàng)目對(duì)中國(guó)的暗物質(zhì)研究進(jìn)行了科學(xué)布局，下設(shè)6個(gè)課題，CDEX合作組就是其中一個(gè)。
項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院院士吳岳良告訴記者，今年項(xiàng)目已經(jīng)順利結(jié)題，其他5個(gè)課題也取得了非常理想的結(jié)果。
“項(xiàng)目剛批準(zhǔn)時(shí)，我們還非常擔(dān)心。”吳岳良說(shuō)，中國(guó)關(guān)于暗物質(zhì)的研究相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)起步晚，但現(xiàn)在看來(lái)，雙方已站在同一條起跑線(xiàn)上。
今年，課題之一、由上海交通大學(xué)牽頭的PandaX實(shí)驗(yàn)組利用設(shè)計(jì)和研制的120公斤級(jí)液氙探測(cè)器，對(duì)目前所有疑似暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了高精度驗(yàn)證。
與此同時(shí)，計(jì)劃中的暗物質(zhì)空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也有著非常值得關(guān)注的成果。中科院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)與空間天文實(shí)驗(yàn)室主任常進(jìn)等人正緊鑼密鼓地研制暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。
常進(jìn)透露說(shuō)，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星將于2015年年底發(fā)射。屆時(shí)，衛(wèi)星將通過(guò)在空間觀(guān)測(cè)高能電子和伽馬射線(xiàn)，從正負(fù)電子的總和入手，解析暗物質(zhì)之謎。
合理布局凸顯優(yōu)勢(shì)
在吳岳良看來(lái)，之所以中國(guó)在暗物質(zhì)研究上能迅速取得戰(zhàn)果，和團(tuán)隊(duì)之間的團(tuán)結(jié)合作密不可分。
“項(xiàng)目集中了國(guó)內(nèi)在暗物質(zhì)和暗能量領(lǐng)域的主要優(yōu)勢(shì)單位，組成了一個(gè)跨學(xué)科的研究隊(duì)伍。”吳岳良說(shuō)，中國(guó)的暗物質(zhì)研究一開(kāi)始就從理論和實(shí)踐、天上和地下進(jìn)行了合理布局。
注重獨(dú)特的數(shù)據(jù)來(lái)源，利用既有技術(shù)開(kāi)發(fā)更多獨(dú)特的渠道去做實(shí)驗(yàn)……吳岳良說(shuō)，未來(lái)5年，中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯，“我們有世界埋深最深、環(huán)境最干凈的實(shí)驗(yàn)室，有專(zhuān)門(mén)為探測(cè)暗物質(zhì)研制的衛(wèi)星；此外，中科院高能所也在著手液氬探測(cè)器的研制，探測(cè)途徑益發(fā)多樣化……相比之前，中國(guó)探測(cè)到暗物質(zhì)的機(jī)會(huì)更大了”。
當(dāng)前，如何保持既有優(yōu)勢(shì)，并讓其充分發(fā)揮出來(lái)，成為科學(xué)家深入思考的問(wèn)題。
第一個(gè)就是要不斷提高既有探測(cè)器的精度。以高純鍺探測(cè)器為例，單個(gè)探測(cè)器體積無(wú)法做得很大。
為此，CDEX合作組提出了“陣列探測(cè)器”的技術(shù)路線(xiàn)，由多個(gè)單體組合成巨大的陣列探測(cè)器。
實(shí)驗(yàn)組目前正在建設(shè)10公斤量級(jí)高純鍺陣列系統(tǒng)CDEX-10，這將是國(guó)際上最大質(zhì)量的極低能量閾高純鍺探測(cè)器陣列。而之后，將繼續(xù)進(jìn)行百公斤級(jí)到噸級(jí)的陣列高純鍺探測(cè)系統(tǒng)的研制。
與此同時(shí)，記者了解到，PandaX實(shí)驗(yàn)組也正在進(jìn)行500公斤級(jí)液氙探測(cè)器的研制。
探測(cè)只是研究暗物質(zhì)的第一步。在岳騫看來(lái)，未來(lái)國(guó)家要從面上推進(jìn)暗物質(zhì)研究的前沿實(shí)驗(yàn)，一方面先有突破性的成果，另一方面跟進(jìn)后續(xù)的技術(shù)，以便發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)之后，能開(kāi)展更進(jìn)一步的研究。
此外，吳岳良說(shuō)，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)理論研究與實(shí)踐研究的結(jié)合，將優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到更大。
微議
自從天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中大部分物質(zhì)都是無(wú)形的，他們就試圖找出這些模糊的東西可能是什么。如今，這一謎底已經(jīng)越來(lái)越清晰。
今年年初，利用美國(guó)宇航局費(fèi)米伽馬射線(xiàn)太空望遠(yuǎn)鏡所提供的公開(kāi)數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)銀河系中心存在過(guò)量的高能伽馬射線(xiàn)。暗物質(zhì)粒子湮滅釋放出伽馬射線(xiàn)信號(hào)這一說(shuō)法已經(jīng)大為加強(qiáng)。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月18日晚，諾貝爾獎(jiǎng)得主、美籍華人物理學(xué)家丁肇中帶領(lǐng)的阿爾法磁譜儀團(tuán)隊(duì)在歐洲核子研究中心公布，在業(yè)已完成的觀(guān)測(cè)中，暗物質(zhì)的6個(gè)特征已有5個(gè)得到確認(rèn)，這進(jìn)一步預(yù)示暗物質(zhì)可能存在。
12月15日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院發(fā)布了利用歐洲航天局XMM牛頓天文望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)的結(jié)果。研究人員從宇宙X射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了一種非典型性光子發(fā)射現(xiàn)象，這可能也是暗物質(zhì)存在的證據(jù)。
今年，我國(guó)清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)組和上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX實(shí)驗(yàn)組得到的多個(gè)數(shù)據(jù)，也進(jìn)一步縮小了暗物質(zhì)探尋區(qū)域。經(jīng)過(guò)多年積累，中國(guó)的暗物質(zhì)研究實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從追趕到位居國(guó)際前沿的轉(zhuǎn)變。
越來(lái)越多的數(shù)據(jù)表明，人類(lèi)已處在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣。未來(lái)10年，將是暗物質(zhì)取得突破性成果的10年。各國(guó)科學(xué)家都在摩拳擦掌，等待這一興奮時(shí)刻的到來(lái)。暗物質(zhì)探尋的競(jìng)賽也愈發(fā)地激烈。
對(duì)于后來(lái)居上的中國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，注重獨(dú)特的數(shù)據(jù)來(lái)源，利用既有的技術(shù)開(kāi)發(fā)更多獨(dú)特的渠道去做實(shí)驗(yàn)，是中國(guó)的機(jī)會(huì)。
人類(lèi)認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)的旅途即將迎來(lái)最后一段征程，讓我們拭目以待。
