中國將啟動「熊貓X」項目 地底2500米深處探索暗物質

暗物質是宇宙中最難以捉摸的物質之一，它佔據了宇宙總物質的八成，但科學家對其粒子知之甚少。外媒稱，中國正大舉進入探測神秘暗物質的競賽，未來數周，一個大型設施將在四川省一座山的內部開始搜集數據，尋找暗物質的直接證據。

美國趣味科學網站2月14日援引《電氣與電子工程師學會分析》雜誌的報道稱，價值800萬美元的粒子和天體物理學氙氣試驗——熊貓X項目（PandaX，Particle and Astrophysical Xenon的縮寫）位於2500米的地下的一座大理石山內。它將於2014年初開始啟動。聯機之後，熊貓X將加入世界其他地下暗物質試驗，包括義大利XENON項目和美國南達科他州的大型地下氙項目（LUX）。

熊貓X項目位於四川省錦屏山地下2500米深處的實驗室，將尋找暗物質的直接證據。

這些試驗的工作原理都是相同的。它們尋找的是弱相互作用重粒子（WIMPS）與「正常」原子核在一大箱液態氙中撞擊所釋放的粒子。WIMPS即假定的暗物質主要成分，它被認為構成了宇宙總質量的80%。

據了解，PandaX項目計劃由上海交通大學牽頭，上海應用物理研究所、山東大學、北京大學、美國密歇根大學、馬里蘭大學和雅礱江水電開發公司聯合參與。

在幾年前，中國科學家要探測暗物質，一直需要到國外的地下實驗室去進行試驗。直到中國國家自然科學基金委和科技部聯合建立了中國的暗物質探測「國家隊」，並且由清華大學和二灘水電站聯合建立了中國暗物質實驗室，在2010年12月12日投入使用。

中國團隊的加入，顯然使世界上暗物質的研究者受到了很大的鼓舞。據介紹，在此前，世界上最好的地下實驗室是位於義大利的GRANSASSO地下實驗室，在那裡進行的XENON100實驗，由義大利、美國、日本等國際團隊共同加入，上海交通大學也是參加實驗的單位之一。

PandaX和其他項目都需要在地下進行，目的是屏蔽大多數可能產生錯誤信號的輻射源。但PadndaX是其中深度最深的探測器，它上面的岩石主要是大理石，不存在多少輻射材料。在2013年2月出版的《自然》雜誌上，位於中國四川錦屏山2500米地下的暗物質探測地下實驗室，被認為是目前世界上具備最好探測條件的地下實驗室。參與研究的密歇根大學教授Wolfgang Lorenzon說，PandaX 最大的優勢是廉價和不需要多少屏蔽材料。

錦屏山實驗室的山洞牆壁上有塗層以盡量阻斷岩體釋放氡氣，探測器屏蔽最外層用1米厚的聚乙烯層慢化岩石中同位素放射性產生的中子，中間用20厘米的鉛層屏蔽伽馬光子，裡層用15厘米的無氧銅屏蔽。

熊貓X項目位於四川省錦屏山地下2500米深處的實驗室，將尋找暗物質的直接證據。

而清華大學牽頭的另一個中國暗物質探測項目CDEX項目也在這一實驗室進行，不同的是，CDEX項目是利用高純鍺探測器探測暗物質。

根據目前最完善的物理學理論，儘管萬有引力和弱核力存在，但它們只與普通物質相互作用。如果弱相互作用大質量粒子擊中普通物質的原子核，它可能引發其它粒子發光。然而粒子的規模決定了這些現象將極其罕見。

在中國錦屏的地下實驗室內部，一座裝有液態氙氣的巨大水箱維持在極低的溫度下。如果一顆弱相互作用大質量粒子擊中內部的氙氣原子核，就會發射出光子和電子，這兩種粒子都將被研究人員探測到。對比兩種信號可以使研究人員精確查找到水箱內發生這一現象的位置，在水箱中心的相互作用比邊緣更加可信。

《電氣與電子工程師學會分析》雜誌稱，PandaX的首個科研成果預計將於2014年底出現。如果一切按計划進行，該項目的規模可能擴大，採用更大的氙箱，以增加檢測到撞擊所釋放的粒子的機會。

如果熊貓X或者他們的競爭對手，美國的LUX項目或者義大利的Xenon項目發現了可靠的可重複結果，那麼對於基礎物理學的意義將是非常重大的，它將解決許多天體物理學和宇宙哲學領域的謎題。

PandaX計劃的負責人、上海交通大學物理系教授季向東曾介紹，PandaX計劃將通過液氙在地下探測暗物質粒子。按照計劃，設備最晚將在2016年升級到1噸液氙的量級。《自然》雜誌說，這意味著該實驗將會比其他的暗物質研究進展更快。「我們想要證明世界一流的暗物質研究在中國是可能的。」季向東教授表示。

據悉，運用同樣方法進行探測的義大利XENON100試驗，原本被認為最有希望出成果，卻在2012年宣布沒能找到暗物質，甚至一度懷疑暗物質的存在。但該實驗室2013年初宣布，將提前把液氙的量級提升到1噸的量級，使實驗的精度提升100倍。據上海交通大學物理系的天體物理學家王斌教授介紹：「這就像用網捕魚，用一張大網能夠捕捉到更多的粒子，這樣發現暗物質的幾率也許會更高。」

季向東教授說，PandaX計劃希望能夠超過XENON100的靈敏度，由此設備一直處於不斷完善之中。他說，「我們也歡迎國際機構加入一起從事研究，共同提高技術。」

西方國家的暗物質研究人員為這項計劃的目標感到興奮，但有些人卻質疑這將導致重複工作。「將我們的經費花在不同的直接檢測實驗上並不值得。」美國加利福尼亞州SLAC國家加速器實驗室的天體物理學家Stefan Funk說。他承認他的觀點較為偏頗――他通過在空中尋找可能的γ射線信號來間接探測暗物質。

PandaX位於四川省錦屏山。圖為移走碎石的輸送帶。

多個液氙實驗的出現反映了暗物質探測研究中的混戰，以及各國爭相解決物理學前沿問題的野心。PandaX項目是在中國國家自然科學基金委員會和科技部資助相關研究團隊時產生的。該團隊在經過2年的建設後，於2011年在錦屏山的地下設立了一個小型實驗室。

通過聯合一些包括美國的高校在內的大學，中國在PandaX項目上撥款1500萬美元，然而該研究團隊仍希望有更多的國際合作夥伴。去年1月，PandaX向尚未與中國的基金會達成任何協議的美國能源部（DOE）申請合作，但遭到拒絕。而DOE正在資助XENON合作之外的一個研究團隊：在南達科他州的霍姆斯特克金礦進行的大型地下氙（LUX）實驗。

霍姆斯特克曾是一個大型地下實驗室的候選場所。但是該實驗室的資助者，美國國家科學基金會（NSF）於2010年放棄該想法，使DOE獨自負責該實驗室，並承擔為防止礦山發生山洪而進行持續維護的全部花費。

芝加哥大學的物理學家Juan Collar稱，LUX可能是所有氙實驗中最脆弱的一個。他正在進行一些小型實驗來探測更輕的WIMPs。「目前的資助情況很不好。」他說。DOE已宣稱計劃將於10月減少資助大型暗物質實驗室的數量，LUX首當其衝。XENON100是通過NSF獲得資助的，因此將會在這個篩選過程中倖存。

LUX發言人、羅德島布朗大學的物理學家Rick Gaitskell稱，美國需要自己的地下實驗室來保持在暗物質研究領域的位置。他問道：「為什麼我們要放棄領先地位而將所有的實驗都移到海外呢？」

PandaX很可能成為世界上最好的地下實驗室，季向東稱，合作是大勢所趨。國際組織不可能同時資助兩個以上的使用大型探測器的氙實驗，他說，美國需要抉擇放棄一些實驗。同時，很多團隊共同來促進該技術的想法並不壞。「這將有助於建立最終的暗物質實驗。」

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