編者按

    我國首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”近日在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用。錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋達2400米，是目前世界巖石覆蓋最深的實驗室。它的建成標志著中國已經(jīng)擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺，能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。

    據(jù)悉,由清華大學、四川大學、中國原子能科學研究院、南開大學和二灘水電開發(fā)有限責任公司參與的中國暗物質實驗(China Dark matter EXperiment, CDEX)合作組已將一組探測器安裝在“中國錦屏地下實驗室”中,開展暗物質實驗研究工作。

    今天，讓我們來看看“暗物質”到底是什么東西。

    暗物質被認為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質含量，它們既不發(fā)光也不吸收光，而我們可以看到的物質只占宇宙總物質量的10%不到。中微子和黑洞是現(xiàn)在已經(jīng)知道的兩種暗物質，但其對暗物質總量的貢獻非常微小，暗物質中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚，其本質現(xiàn)在還是個謎。

    幾十年前，科學家提出暗物質理論，現(xiàn)在科學界已接受暗物質是宇宙的重要組成部分的觀點，并認為是暗物質主導了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。  

    地下實驗室在隧道里

    在建設二灘水電站過程中，四川錦屏山底曾修建了18公里可以通行汽車的隧道，上面是2500多米厚的山體巖石。這里將成為研究所成立后首個實驗的開展地，專門“搜捕”暗物質。目前這里是世界上最優(yōu)越的探測暗物質的環(huán)境。

    之所以稱之為最優(yōu)，據(jù)上海交通大學物理系主任、粒子物理宇宙學研究所所長季向東介紹，該實驗室利用的是當?shù)亟ㄋ娬緯r修的地下隧道，在其側面開挖長40米，寬、高各為6米的空間。因而與國外一些“脫胎”于礦井的地下實驗室相比，使用更為便利，不必坐著電梯上上下下，乘坐汽車就能“入地”。而埋深2500米的隧道，更是難得，因為埋得越深，宇宙射線的干擾就越少。

    “地下工作”并無不適

    “從地面上開車大概20分鐘，就能到達地下實驗室。”上海交通大學粒子物理宇宙學研究所特別研究員倪凱旋還記得第一次“入地”的感覺。戴上安全帽、穿著硬底鞋，進入實驗室，入眼是各種儀器設備。“那里四季恒溫，冬暖夏涼，不需要用空調。唯一與地面實驗室不同的是，那里沒有窗戶，刮風下雨絲毫感覺不到，進去久了也容易讓人搞不清外界是白天還是黑夜。”

    “地下工作”時間久了，人是否會有不適？“地下實驗室的通風設備很好，絲毫不會感到氣悶，人在下面呆個半天，不會有任何異樣的感覺。”倪凱旋說，一旦儀器運行穩(wěn)定后，他只需在地面上的辦公室監(jiān)控探測器運行即可，而地下實驗室的所有數(shù)據(jù)也會傳送至地面，因而，科研人員無需24小時“守”著探測器。   

    “捉拿”暗物質很不易

    讓不少人難以理解的是，暗物質在宇宙中，科學家為啥要“鉆”到地下去探測呢？這是因為暗物質是種頗有“個性”的粒子，它質量很大，但作用力卻微乎其微。

    “每天可能有幾萬億個暗物質穿過你的身體，但你卻感受不到，這是因為暗物質的散射截面很小。”倪凱旋打了一個比方，就像一只足球能被球網(wǎng)擋住，但是一個小鐵球就能穿網(wǎng)而過，就是因為它的截面比球網(wǎng)的網(wǎng)格小。

    如何“網(wǎng)”住暗物質？科學家們也想了很多辦法。

    最初的辦法是天文觀測法，但是，卻無法解答“暗物質是什么”。后來，人們又采取間接探測和直接探測的辦法。前者，是探測暗物質相互碰撞產(chǎn)生的普通物質粒子信號，一般通過地面或太空望遠鏡探測；后者，則是用原子核與暗物質碰撞，探測碰撞產(chǎn)生的信號。而在地面上，因為宇宙射線眾多，這些信號會對直接探測產(chǎn)生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實驗室可以幫助探測器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。

    兩個實驗組確認入駐

    錦屏山的地下實驗室是我國首個地下暗物質探測實驗室。它建成后，可以為我國科學家挑戰(zhàn)世界級科研難題提供舞臺。到目前為止，上海交大、清華兩個實驗組已確認將入駐地下實驗室。兩個實驗組的探測方式并不相同。交大將使用液氙探測器在此開展暗物質的直接探測，清華將采用低溫半導體開展探測。   

    至于探測到暗物質之后能派上什么用場，這對科研人員來說，仍是未知數(shù)。“粒子物理探求的是物質最深層次的奧秘，對未來的生活會發(fā)生怎樣的影響，我們現(xiàn)在還不得而知。就像電被發(fā)明時，人們尚無法想象后來的電視、電腦。但無論如何，每一個科學發(fā)現(xiàn)都使人們對物質世界的認識更進一步，這是最了不起的事。”季向東說。（據(jù)中央電視臺等報道）

    背景資料

    暗物質的前世今生

    暗物質，英文名稱：dark matter，定義為：由天文觀測推斷存在于宇宙中的不發(fā)光物質，由不發(fā)光天體、暈物質以及非重子中性粒子組成。

    暗物質（包括暗能量）被認為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質含量，而我們可以看到的物質只占宇宙總物質量的10%不到(約5％左右)。諾貝爾獎獲得者李政道更是認為其占了宇宙質量的99%。暗物質無法直接觀測得到，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學家曾對暗物質的特性提出了多種假設，但直到目前還沒有得到充分的證明。 

    最早提出證據(jù)并推斷暗物質存在的科學家是美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基。大約65年前，他第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質存在的證據(jù)。當時，弗里茨·茲威基發(fā)現(xiàn)大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到上世紀80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質已被廣為接受了。

    暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質現(xiàn)在還是個謎。