地球上真的存在暗物質(zhì)嗎

“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”示意圖制圖：許青天

這個(gè)世界，還有很多未解之謎。宇宙中，人類可見(jiàn)可知的物質(zhì)成分只占4%左右，還有27%左右是未見(jiàn)未知的暗物質(zhì)，另外七成左右則是同樣神秘的暗能量。昨天，中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的大型暗物質(zhì)探測(cè)“熊貓計(jì)劃（PandaX）”實(shí)驗(yàn)組，在上海交大發(fā)表了立項(xiàng)4年來(lái)的首批物理數(shù)據(jù)。這項(xiàng)在四川2000多米深洞中開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，目前尚未找到暗物質(zhì)的任何蹤影，同時(shí)對(duì)之前國(guó)際上發(fā)現(xiàn)的疑似暗物質(zhì)信號(hào)提出質(zhì)疑。人們不禁要問(wèn)，地球上真有暗物質(zhì)嗎？

每秒上億暗原子穿身而過(guò)

長(zhǎng)期以來(lái)，全世界的物理和天文學(xué)家通過(guò)大量天文觀測(cè)，推斷出宇宙中暗物質(zhì)的成分占比極大，它們與普通物質(zhì)一樣具有質(zhì)量，卻與普通物質(zhì)不發(fā)生電磁作用和強(qiáng)相互作用。因此，暗物質(zhì)可以在普通物質(zhì)中穿梭來(lái)往，幾無(wú)阻攔。在人類所在的銀河系，暗物質(zhì)更是比普通物質(zhì)多20倍以上。可以說(shuō)，地球以及太陽(yáng)系在整個(gè)銀河系暗物質(zhì)的“霧霾”中運(yùn)動(dòng)，暗物質(zhì)隨時(shí)都在輕易地穿越地球和太陽(yáng)。

近年來(lái)，人類在發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”過(guò)程中運(yùn)用了高能粒子對(duì)撞機(jī)制，在稍縱即逝的撞擊“火花”中，捕捉最后一種未被實(shí)驗(yàn)證明的粒子。然而，這種“上帝粒子”配上了諾獎(jiǎng)，人們建立的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型也已完備，卻仍無(wú)法作出對(duì)暗物質(zhì)粒子的解釋。

本世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際上相繼開(kāi)展了20多個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，也就是期待暗物質(zhì)的“暗原子”把探測(cè)器中的“靶原子”撞飛。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交大物理和天文系季向東教授用“守株待兔”來(lái)形容實(shí)驗(yàn)—他解釋稱，事實(shí)上每秒鐘大約有上億個(gè)暗物質(zhì)原子穿透我們的身體，但人體內(nèi)的原子數(shù)量達(dá)1億億億個(gè)，也就是10的23到24次方，因此一天中體內(nèi)某個(gè)原子被撞到的概率不足一次。更何況，暗物質(zhì)穿身而過(guò)的速度達(dá)每秒220公里左右。

實(shí)驗(yàn)尚未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)信號(hào)

即使暗物質(zhì)與物質(zhì)的原子撞到了，也只產(chǎn)生極其微弱的光電信號(hào)，且必須被及時(shí)探測(cè)并捕獲。而在地面上，看不見(jiàn)、摸不著的各種宇宙射線，對(duì)這樣的“暗物質(zhì)捕手”造成極大的背景輻射干擾。為屏蔽繁雜的粒子撞擊信號(hào)，實(shí)驗(yàn)不得不深入地下。

“熊貓計(jì)劃”實(shí)驗(yàn)正是在世界最深的四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。這一實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司于2010年聯(lián)合開(kāi)發(fā)，在隧道工程建設(shè)中利用了一個(gè)約2400米深的人工井。山洞上方被深厚巖石層所覆蓋，阻擋外界信號(hào)。

PandaX是“粒子和天體物理氙探測(cè)器”的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，以惰性元素氙（Xe）作為探測(cè)媒介。實(shí)驗(yàn)由上海交大牽頭組織，合作組包括中美6家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)在內(nèi)，首期使用了約120公斤的液態(tài)氙作為“靶子”。在今年5月開(kāi)始的暗物質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)中，探測(cè)器記錄了約400萬(wàn)個(gè)粒子撞擊事例，在暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的“能量區(qū)”大約有1萬(wàn)個(gè)事例，而在探測(cè)器最“安靜”的中心—37公斤液氙中只有46個(gè)事例。通過(guò)與放射源的定標(biāo)比較，這最后的46個(gè)事例全部來(lái)自放射性本底，沒(méi)有暗物質(zhì)留下的痕跡。

季向東分析認(rèn)為，120公斤級(jí)液氙探測(cè)器的靈敏度已達(dá)世界先進(jìn)水平，能對(duì)至今為止所有暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)獲得的疑似數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行高精度驗(yàn)證。從現(xiàn)在的測(cè)量結(jié)果看，近幾年意大利、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)開(kāi)展的4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)的均為疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號(hào)，而人類最可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的“能量區(qū)”應(yīng)是實(shí)驗(yàn)還未涉及的重質(zhì)量信號(hào)區(qū)。

世界最大探測(cè)器明年建成

“熊貓計(jì)劃”是中國(guó)開(kāi)展的首個(gè)百公斤級(jí)大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，而更大能級(jí)的實(shí)驗(yàn)才可能捕獲真正有價(jià)值的暗物質(zhì)線索。據(jù)了解，實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于近十年來(lái)發(fā)展極為迅速的液氙探測(cè)技術(shù)。歐美在這項(xiàng)技術(shù)上正在加大投入，比如世界上處于運(yùn)行狀態(tài)的最大液氙探測(cè)器就是美國(guó)250公斤級(jí)的LUX探測(cè)器，它位于美國(guó)南達(dá)科他州地下礦井中，而我國(guó)實(shí)驗(yàn)的探測(cè)規(guī)模僅次于它。

在首次排除較輕質(zhì)量的疑似暗物質(zhì)信號(hào)后，“熊貓計(jì)劃”PandaX正在建造一個(gè)500公斤液態(tài)氙的探測(cè)器，計(jì)劃明年建成，屆時(shí)“半噸級(jí)”實(shí)驗(yàn)將是世界最大規(guī)模。其靈敏度可比現(xiàn)有裝置放大20倍左右，并可進(jìn)入重質(zhì)量暗物質(zhì)信號(hào)區(qū)進(jìn)行搜索，覆蓋這一“能量區(qū)”的一半面積。季向東表示，隨著能級(jí)提升，“熊貓計(jì)劃”有望找到理論預(yù)言的、較重質(zhì)量的一類暗物質(zhì)粒子，將人類對(duì)宇宙萬(wàn)物的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步推向深入。