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大国重器:中国暗物质“捕手”后来居上

2017-12-12 08:52栏目:电商

 
 
大国重器:中国暗物质“捕手”后来居上  
 

大国重器:中国暗物质“捕手”后来居上

PandaX-Ⅲ计划示意图,目标是测量“氙136的无中微子双贝塔衰变”。
 

大国重器:中国暗物质“捕手”后来居上

新华社发

日前,暗物质粒子探测卫星“悟空”发表了首篇科学论文,打开了暗物质观测的新窗口。其实,在暗物质探测领域,我国不仅在空间探测上有所作为,地面探测也可圈可点——中国暗物质探测实验“熊猫计划”(PandaX)获得的数据,多次成为当年世界最好结果。在位于四川凉山彝族自治州的锦屏山下,在覆盖着2400多米岩石的极深地下,科学家们正在捕捉暗物质存在的最直接证据,不断刷新对暗物质粒子性质的限制纪录,为人类探索自然界奥秘贡献中国力量。

 

2400米深的中国四川锦屏山山体内,中国首个极深地下实验室里的大型暗物质探测器日夜运转。

 

“如果把探测器中的原子比作一片树林,暗物质粒子则是成群结队飞奔而来、呼啸而过的兔子,难免有一只或几只不长眼的家伙迎头撞死在某棵树下,被农夫捕获。”上海交通大学鸿文讲席教授、“熊猫计划”(PandaX)项目负责人季向东为我们讲述锦屏山深地隧道中正在进行的PandaX。

 

从2014年3月23日取数到今天,PandaX已连续运行三年零六个月。2016年、2017年的两年间,PandaX发布的数据都是当年全世界最好的探测结果。“不断地改进仪器的灵敏度,有一天我们可能会探测到暗物质。对暗物质性质的研究,将使人类认知产生一个飞跃。”季向东说,“即便有一天我们探测不到暗物质,对暗物质的研究终将刷新人类对于世界的认知。”

 

地心“熊猫”的诞生

 

科学家认为,人类的身边游离着数量众多的暗物质,看不见、摸不着,总量大约是常规世界物质的6倍。过去十多年,许多科学家穷尽各种实验方法,试图与占据宇宙质量85%的暗物质“接触”。这是全世界公认的人类21世纪最重要的科学问题之一,所有的实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信号。

 

2009年以前,中国本土的暗物质研究还是一片空白。改变始于锦屏山。2008年8月8日,北京奥运开幕当天,锦屏山交通配套隧道贯通。得知这一消息的物理学家们兴奋了,他们敏锐地感到,中国缺乏开展暗物质研究条件的历史,或许将被改写。

 

2009年3月17日,季向东第一次来到锦屏山。那时锦屏山隧道刚贯通半年多,洞壁一直在冒水。穿着长雨靴,深一脚浅一脚,季向东进了隧道。那天,一行共7人,现任上海交通大学校长的林忠钦院士带队,还有清华大学、中科院、美国普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校的几位教授。

 

站在隧道中间,头顶上是厚达2400多米的山体。整条隧道70%以上的部分,埋深大多在1500米以下。在极深的地下,绝大多数宇宙射线被隔离,岩层越厚,屏蔽效果越好,实验环境也越纯净,隧道岩层所含的放射性之低也出乎意料——锦屏山底是暗物质探测的绝佳宝地。

 

兴奋,激动,热望,在泥浆满地的煤黑色隧道中央,雅砻江流域水电开发有限公司和清华大学共建中国首个极深地下实验室,“PandaX”计划随之起步。

 

季向东说,起名“熊猫计划”,一来锦屏山所在的四川是熊猫的家乡,二来也是一个有趣的巧合——“粒子和天体物理氙探测器”(Particle AND Astrophysical Xenon Detector)的英文简写里本来就有这几个字母。实验原理是用提纯的惰性元素氙(Xe)作为“靶子”来寻找暗物质,由上海交通大学牵头,国内多个合作单位包括北京大学、山东大学、中科院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等共同参与。

 

PandaX项目的出现,对世界上液氙暗物质直接探测领域进行了“重新洗牌”——这一领域最有影响力的实验主要是在意大利Gran Sasso国家地下实验室进行的XENON暗物质实验、美国南达科他州的大型地下氙项目LUX,以及中国锦屏山实验室的PandaX项目。早在2014年Pandax项目取得首个结果时,《科学》杂志就以《探索暗物质,中国团队迎头赶上》为题,进行了报道。

 

与世界“赛跑”

 

暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在微弱的相互作用,物理学家通过探测这种作用来寻找暗物质。