國(guó)際社會(huì)關(guān)注中國(guó)開(kāi)展最深暗物質(zhì)試驗(yàn)
——全球合作或已勢(shì)在必行
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 2013-2-25 張冬冬
在地下1000多米處，物理學(xué)家正使用液氙設(shè)下陷阱來(lái)捕捉獵物：假想中的暗物質(zhì)粒子——它們?cè)诖┰降厍虻倪^(guò)程中有極少數(shù)可能與普通物質(zhì)發(fā)生作用。每個(gè)陷阱的建設(shè)需要1000萬(wàn)美元，然而該實(shí)驗(yàn)可以探測(cè)到宇宙中暗物質(zhì)85%的組成部分，因此花費(fèi)相對(duì)較少。不過(guò)，在地球上設(shè)置4個(gè)這樣的陷阱真的有必要嗎？
據(jù)《自然》雜志報(bào)道，近期，中國(guó)的PandaX實(shí)驗(yàn)加入到意大利、美國(guó)和日本的研究行列中。該實(shí)驗(yàn)擁有世界上最深的實(shí)驗(yàn)室，位于四川省錦屏大理巖山體以下2500米處。PandaX將于今年開(kāi)始利用120千克液氙探測(cè)暗物質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)希望可以在2016年將使用量提升至1噸，這意味著該實(shí)驗(yàn)將會(huì)比其他的暗物質(zhì)研究進(jìn)展更快。“我們想要證明世界一流的暗物質(zhì)研究在中國(guó)是可能的。”PandaX項(xiàng)目的發(fā)言人、上海交通大學(xué)物理學(xué)家季向東表示。
西方國(guó)家的暗物質(zhì)研究人員為這項(xiàng)計(jì)劃的目標(biāo)感到興奮，但有些人卻質(zhì)疑這將導(dǎo)致重復(fù)工作。“將我們的經(jīng)費(fèi)花在不同的直接檢測(cè)實(shí)驗(yàn)上并不值得。”美國(guó)加利福尼亞州SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家Stefan Funk說(shuō)。他承認(rèn)他的觀(guān)點(diǎn)較為偏頗——他通過(guò)在空中尋找可能的γ射線(xiàn)信號(hào)來(lái)間接探測(cè)暗物質(zhì)。
多個(gè)液氙實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)反映了暗物質(zhì)探測(cè)研究中的混戰(zhàn)，以及各國(guó)爭(zhēng)相解決物理學(xué)前沿問(wèn)題的野心。對(duì)星系旋轉(zhuǎn)和宇宙背景輻射的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙中大約85%的物質(zhì)之間都存在引力，但并不會(huì)輻射光。主要理論表明，這樣的暗物質(zhì)以弱作用大質(zhì)量粒子（WIMPs）的形式存在。它們?nèi)绻嬖?，?huì)偶爾與普通物質(zhì)的原子核相撞擊，因此基本上會(huì)在一大池像液氙這樣的原子致密材料中被探測(cè)到——當(dāng)與原子核相撞時(shí)，該材料會(huì)產(chǎn)生光。
在地下進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，是為了減少與WIMPs相仿的宇宙射線(xiàn)的干涉。至今，科學(xué)家還沒(méi)有什么發(fā)現(xiàn)。位于意大利阿奎拉附近的實(shí)驗(yàn)XENON100取得了最多的進(jìn)展，至今運(yùn)行225天，并未探測(cè)到WIMP信號(hào)，排除了質(zhì)量更大、相互作用更強(qiáng)的粒子存在的可能性。在未來(lái) 幾個(gè)月中，XENON合作組織會(huì)開(kāi)始將液氙使用量提升至1噸多，其探測(cè)靈敏度將會(huì)提高100倍。
PandaX項(xiàng)目是在中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部資助相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)時(shí)產(chǎn)生的。該團(tuán)隊(duì)在經(jīng)過(guò)2年的建設(shè)后，于2011年在錦屏山的地下設(shè)立了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)室。盡管季向東認(rèn)為在中國(guó)中部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在很多挑戰(zhàn)，但PandaX項(xiàng)目仍希望在今年年底能夠以更輕的WIMPs來(lái)匹敵XENON100現(xiàn)在的靈敏度。日前，該團(tuán)隊(duì)剛剛由于液氮供應(yīng)的延遲而導(dǎo)致不能進(jìn)行冷卻實(shí)驗(yàn)。但是由于PandaX比其他實(shí)驗(yàn)室的位置深1000米，它更容易屏蔽宇宙射線(xiàn)，這將使其更容易升級(jí)液氙使用量。
通過(guò)聯(lián)合一些包括美國(guó)的高校在內(nèi)的大學(xué)，中國(guó)在PandaX項(xiàng)目上撥款1500萬(wàn)美元，然而該研究團(tuán)隊(duì)仍希望有更多的國(guó)際合作伙伴。1月，PandaX向尚未與中國(guó)的基金會(huì)達(dá)成任何協(xié)議的美國(guó)能源部（DOE）申請(qǐng)合作，但遭到拒絕。而DOE正在資助XENON合作之外的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)：在南達(dá)科他州的霍姆斯特克金礦進(jìn)行的大型地下氙（LUX）實(shí)驗(yàn)。
霍姆斯特克曾是一個(gè)大型地下實(shí)驗(yàn)室的候選場(chǎng)所。但是該實(shí)驗(yàn)室的資助者，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）于2010年放棄該想法，使DOE獨(dú)自負(fù)責(zé)該實(shí)驗(yàn)室，并承擔(dān)為防止礦山發(fā)生山洪而進(jìn)行持續(xù)維護(hù)的全部花費(fèi)。
芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家Juan Collar稱(chēng)，LUX可能是所有氙實(shí)驗(yàn)中最脆弱的一個(gè)。他正在進(jìn)行一些小型實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)更輕的WIMPs。“目前的資助情況很不好。”他說(shuō)。DOE已宣稱(chēng)計(jì)劃將于10月減少資助大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量，LUX首當(dāng)其沖。XENON100是通過(guò)NSF獲得資助的，因此將會(huì)在這個(gè)篩選過(guò)程中幸存。
LUX發(fā)言人、羅德島布朗大學(xué)的物理學(xué)家Rick Gaitskell稱(chēng)，美國(guó)需要自己的地下實(shí)驗(yàn)室來(lái)保持在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的位置。他問(wèn)道：“為什么我們要放棄領(lǐng)先地位而將所有的實(shí)驗(yàn)都移到海外呢？”
PandaX很可能成為世界上最好的地下實(shí)驗(yàn)室，季向東稱(chēng)，合作是大勢(shì)所趨。國(guó)際組織不可能同時(shí)資助兩個(gè)以上的使用大型探測(cè)器的氙實(shí)驗(yàn)，他說(shuō)，美國(guó)需要抉擇放棄一些實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，很多團(tuán)隊(duì)共同來(lái)促進(jìn)該技術(shù)的想法并不壞。“這將有助于建立最終的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。”
