地球上真的存在暗物質嗎

「中國錦屏地下實驗室」示意圖　　製圖：許青天徐瑞哲這個世界，還有很多未解之謎。宇宙中，人類可見可知的物質成分只佔4%左右，還有27%左右是未見未知的暗物質，另外七成左右則是同樣神秘的暗能量。昨天，中國科學家主導的大型暗物質探測「熊貓計劃（PandaX）」實驗組，在上海交大發表了立項4年來的首批物理數據。這項在四川2000多米深洞中開展的實驗，目前尚未找到暗物質的任何蹤影，同時對之前國際上發現的疑似暗物質信號提出質疑。人們不禁要問，地球上真有暗物質嗎？每秒上億暗原子穿身而過長期以來，全世界的物理和天文學家通過大量天文觀測，推斷出宇宙中暗物質的成分佔比極大，它們與普通物質一樣具有質量，卻與普通物質不發生電磁作用和強相互作用。因此，暗物質可以在普通物質中穿梭來往，幾無阻攔。在人類所在的銀河系，暗物質更是比普通物質多20倍以上。可以說，地球以及太陽系在整個銀河系暗物質的「霧霾」中運動，暗物質隨時都在輕易地穿越地球和太陽。近年來，人類在發現「上帝粒子」過程中運用了高能粒子對撞機制，在稍縱即逝的撞擊「火花」中，捕捉最後一種未被實驗證明的粒子。然而，這種「上帝粒子」配上了諾獎，人們建立的粒子物理標準模型也已完備，卻仍無法作出對暗物質粒子的解釋。本世紀以來，國際上相繼開展了20多個暗物質探測實驗，也就是期待暗物質的「暗原子」把探測器中的「靶原子」撞飛。項目負責人、上海交大物理和天文系季向東教授用「守株待兔」來形容實驗——他解釋稱，事實上每秒鐘大約有上億個暗物質原子穿透我們的身體，但人體內的原子數量達1億億億個，也就是10的23到24次方，因此一天中體內某個原子被撞到的概率不足一次。更何況，暗物質穿身而過的速度達每秒220公里左右。實驗尚未發現暗物質信號即使暗物質與物質的原子撞到了，也只產生極其微弱的光電信號，且必須被及時探測並捕獲。而在地面上，看不見、摸不著的各種宇宙射線，對這樣的「暗物質捕手」造成極大的背景輻射干擾。為屏蔽繁雜的粒子撞擊信號，實驗不得不深入地下。「熊貓計劃」實驗正是在世界最深的四川錦屏山地下實驗室進行的。這一實驗場所由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司於2010年聯合開發，在隧道工程建設中利用了一個約2400米深的人工井。山洞上方被深厚岩石層所覆蓋，阻擋外界信號。PandaX是「粒子和天體物理氙探測器」的英文簡寫，以惰性元素氙（Xe）作為探測媒介。實驗由上海交大牽頭組織，合作組包括中美6家研究機構和大學在內，首期使用了約120公斤的液態氙作為「靶子」。在今年5月開始的暗物質探測數據中，探測器記錄了約400萬個粒子撞擊事例，在暗物質可能產生的「能量區」大約有1萬個事例，而在探測器最「安靜」的中心——37公斤液氙中只有46個事例。通過與放射源的定標比較，這最後的46個事例全部來自放射性本底，沒有暗物質留下的痕迹。季向東分析認為，120公斤級液氙探測器的靈敏度已達世界先進水平，能對至今為止所有暗物質探測實驗獲得的疑似數據信號進行高精度驗證。從現在的測量結果看，近幾年義大利、美國、德國等國開展的4項實驗，發現的均為疑似輕質量暗物質信號，而人類最可能發現暗物質的「能量區」應是實驗還未涉及的重質量信號區。世界最大探測器明年建成「熊貓計劃」是中國開展的首個百公斤級大型暗物質實驗，而更大能級的實驗才可能捕獲真正有價值的暗物質線索。據了解，實驗成功的關鍵在於近十年來發展極為迅速的液氙探測技術。歐美在這項技術上正在加大投入，比如世界上處於運行狀態的最大液氙探測器就是美國250公斤級的LUX探測器，它位於美國南達科他州地下礦井中，而我國實驗的探測規模僅次於它。在首次排除較輕質量的疑似暗物質信號後，「熊貓計劃」PandaX正在建造一個500公斤液態氙的探測器，計劃明年建成，屆時「半噸級」實驗將是世界最大規模。其靈敏度可比現有裝置放大20倍左右，並可進入重質量暗物質信號區進行搜索，覆蓋這一「能量區」的一半面積。季向東表示，隨著能級提升，「熊貓計劃」有望找到理論預言的、較重質量的一類暗物質粒子，將人類對宇宙萬物的認識進一步推向深入。
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