中國開展世界上最深暗物質試驗國際社會關注

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中國開展世界上最深暗物質試驗國際社會關注2013-02-26 08:40:48 張冬冬人民網上一張

下一張中國PandaX項目位於四川省錦屏山。圖為移走碎石的輸送帶。

本報見習記者張冬冬

在地下1000多米處，物理學家正使用液氙設下陷阱來捕捉獵物：假想中的暗物質粒子――它們在穿越地球的過程中有極少數可能與普通物質發生作用。每個陷阱的建設需要1000萬美元，然而該實驗可以探測到宇宙中暗物質85%的組成部分，因此花費相對較少。不過，在地球上設置4個這樣的陷阱真的有必要嗎？

據《自然》雜誌報道，近期，中國的PandaX實驗加入到義大利、美國和日本的研究行列中。該實驗擁有世界上最深的實驗室，位於四川省錦屏大理岩山體以下2500米處。PandaX將於今年開始利用120千克液氙探測暗物質，研究團隊希望可以在2016年將使用量提升至1噸，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。」PandaX項目的發言人、上海交通大學物理學家季向東表示。

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。

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。對星系旋轉和宇宙背景輻射的觀測發現，宇宙中大約85%的物質之間都存在引力，但並不會輻射光。主要理論表明，這樣的暗物質以弱作用大質量粒子（WIMPs）的形式存在。它們如果存在，會偶爾與普通物質的原子核相撞擊，因此基本上會在一大池像液氙這樣的原子緻密材料中被探測到――當與原子核相撞時，該材料會產生光。

在地下進行該實驗，是為了減少與WIMPs相仿的宇宙射線的干涉。至今，科學家還沒有什麼發現。位於義大利阿奎拉附近的實驗XENON100取得了最多的進展，至今運行225天，並未探測到WIMP信號，排除了質量更大、相互作用更強的粒子存在的可能性。在未來幾個月中，XENON合作組織會開始將液氙使用量提升至1噸多，其探測靈敏度將會提高100倍。上一張

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外國研究機構利用費米伽馬射線望遠鏡，通過觀測來自銀河中心的伽馬射線輻射來尋找暗物質存在的證據。

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。儘管季向東認為在中國中部進行實驗存在很多挑戰，但PandaX項目仍希望在今年年底能夠以更輕的WIMPs來匹敵XENON100現在的靈敏度。日前，該團隊剛剛由於液氮供應的延遲而導致不能進行冷卻實驗。但是由於PandaX比其他實驗室的位置深1000米，它更容易屏蔽宇宙射線，這將使其更容易升級液氙使用量。

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。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。」《中國科學報》 (2013-02-25 第3版國際)上一張

下一張中國專家表示，我們想要證明世界一流的暗物質研究在中國是可能的。圖片來源：WOLFGANG LORENZON上一張