相信在不久的将來，更多暗物質研究成果從錦屏地下實驗室裡湧現。

中國錦屏地下實驗室位

于2400米的地下。圖/新華社

文 | 孫正凡

據央視新聞報道，為了研究看不見摸不着的暗物質，中國建立了首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”。

在四川涼山彜族自治州的雅砻江錦屏大河灣，錦屏水電站下方，現在正穩步推進“中國錦屏地下實驗室”二期項目，其位于岩石覆蓋下方深達2400米的地下，是世界最深最大的極深地下實驗室。

而暗物質一直是個謎，抓取難度很大，到目前為止，世界上也沒有人真正“捕捉”到它。

“純淨”背景更容易“捕捉”暗物質

為什麼研究一個宇宙課題，要“向深地進軍”？

你有沒有在伸手不見五指的夜裡看過星空？漆黑背景更加襯托出了繁星的璀璨。我們的地球、太陽還有看得見的星辰，這些發光或者反射光線的物質都是由原子構成的，天文學家和物理學家稱之為普通物質。普通物質的特征是包括電磁作用，簡而言之，可以發光或吸收光。

在我們宇宙中，普通物質僅僅占宇宙成分的5%，還有近20%是暗物質，另外75%是更加詭異的暗能量。暗物質不發光，我們無法用普通實驗手段去“捕捉”它；而暗能量則在推動宇宙加速膨脹，使其密度更加稀薄。

天文學家憑什麼知道暗物質存在呢？暗物質雖然不發光，但它也有引力作用。在我們的星系尺度上，它提供了大部分引力，把星系束縛成我們現在看到的樣子。如果沒有暗物質，星系大部分就會飛散了。

可這種方法，隻是讓我們知道暗物質存在，并沒有透露暗物質的具體成分，所以科學家們還是希望能“抓”到暗物質或者它們衰變之後的次級成分，通過數據重建，從而更好地理解暗物質的成分，進一步掌握宇宙演化、星系形成等規律。

事實上，尋找暗物質也有多種方法。比如，我國紫金山天文台在2015年底發射了“悟空号”暗物質探測衛星，希望通過太空宇宙線（來自天體的高能粒子）的成分，尋找因為暗物質衰變之後的痕迹。這顆衛星在宇宙線研究已經取得了相當多成果。這是在太空裡尋找暗物質。而更早的例子，是著名的美籍華人科學家丁肇中先生，在國際空間站上安置的阿爾法磁譜儀。

在地下實驗室尋找暗物質，或者其他粒子，則是更常見的做法。歐美日本此前已經利用廢棄的礦井建設了多個地下實驗室。這種方法的關鍵，是利用厚厚的岩層阻擋來自宇宙空間的高能粒子，提供“純淨”的背景，讓暗物質衰變産生的粒子突顯出來。

中國錦屏地下實驗室二期

CDEX合作組實驗大廳。圖/新華社

令中國暗物質研究趕超國外先進水平

暗物質尋找，目前得到的基本是零結果，是逐漸排除“不存在”的能譜區域。有意思的是，在這個過程中，往往得到許多意想不到的其他成果。

20世紀60年代，美國物理學家利用廢棄金礦建設的1600米深的地下實驗室，成功探測到了太陽中微子。日本岐阜縣神岡町一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器，意外探測到了超新星1987A的中微子，主持兩代探測器的小柴昌俊、梶田隆章先後摘得了諾貝爾物理學獎桂冠。

所以，這樣的地下實驗室，不隻是普通意義上的一座實驗室，而是集中了多種學科、多種科學目标的大型實驗中心。2008年錦屏山隧道全線貫通時，清華大學工程物理系一位老師注意到了這裡的岩石覆蓋達2400米，這正是科學家夢寐以求的“黑暗環境”，可以令中國的暗物質研究趕超國外先進水平。

2010年12月12日，“中國錦屏地下實驗室”正式揭牌，清華大學暗物質探測實驗組率先入駐，采用半導體材料進行探測；2011年上海交通大學物理系的研究團隊也入駐，使用液氙探測器工作。兩支團隊兩種方法獨立探測，可以交叉驗證，并檢驗更廣的能譜區域。

從地面到達地下實驗室，需要在隧道内開車大概20分鐘。而儀器在運行穩定狀态下并不需要工作人員在地下值守，隻需在地面上的辦公室監控，實驗數據會自動上傳。

錦屏地下實驗室的建成，幫助中國科學家實現暗物質研究領域從無到有、從跟跑到并跑的跨越，并獲得一系列國際一流水平的暗物質研究成果。

比如，去年上海交通大學教授、中國錦屏地下實驗室“熊貓”實驗發言人劉江來博士在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義相對論大會上，公布了首個暗物質搜尋結果。此次結果基于PandaX-4T試運行95天的數據，用0.63噸·年的曝光量，再次刷新了暗物質性質的邊界值。

現在錦屏地下實驗室正在擴建的二期工程，将從現有4000立方米擴容到12萬立方米。相信會有更多的國際領先的實驗成果，不斷地從錦屏地下實驗室裡湧現，正如我們在至暗的夜空，才能看到最輝煌的星空。

撰稿/孫正凡（科普作家）

編輯/徐秋穎

校對/劉越

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