在地球深层搜寻暗物质——中国志在暗物质领域跻身世界前列

冯诗齐/编译

在地球深层搜寻暗物质
——中国志在暗物质领域跻身世界前列

冯诗齐/编译

中国发起了世界上最深的粒子物理学实验，正式加入一个“已显拥挤”的领域

● 在地下1 000多米深处，物理学家设置了液态氙陷阱来捕捉他们的猎物：即假设中的暗物质粒子，它们在穿越地球时很少同普通物质发生作用。虽然每个实验室建设成本高达1 000万美元，但比起它们的目标——查清宇宙中占85%的物质的构成，还算是相对便宜。不过，在世界上设置四套这样的设施真有必要吗?

美国和日本正在意大利进行这样的实验，现在他们要联合设在中国的第四套名叫PandaX的装置(见“暗物质和深度”插图)。这套装置安装在世界上最深的实验室中，即在四川省锦屏的大理岩山脉下2 500米处。PandaX今年将开始监测一个装有25公斤氙的贮罐。参加该实验的团队希望，到2016年能将这个贮罐扩大到1吨，这将意味着该实验要比其他搜寻暗物质的实验进展更快。“我们想要证明，中国完全可以做出世界一流的暗物质研究，”上海交通大学物理学家、PandaX项目发言人季向东(Xiangdong Ji)教授说。

暗物质搜寻竞争激烈

西方国家的暗物质研究人员为该项目的雄心而兴奋不已，但也有人质疑这是否在重复劳动。“不值得把我们所有的钱花在各个直接检测实验上，”加利福尼亚门洛帕克市斯坦福直线加速器中心（SLAC）的天体物理学家史蒂芬·芬克(Stefan Funk)说。他承认他对此有偏见——他采用间接方法，即通过观察天空中可能出现的γ射线信号来寻找暗物质。

氙实验的不断增多反映了在暗物质搜寻者之间的激烈竞争，以及各国争相解决物理学最引人注目的难题之一的雄心。对星系旋转和宇宙背景辐射，即大爆炸后的余晖的观测显示，宇宙中约有85%的物质在施加引力，却并不辐射光。主流理论认为，这种暗物质是以弱相互作用大质量粒子(WIMP)的形式出现。如果它们存在，偶尔会与普通物质的原子核碰撞，原则上它们可在一个装有原子密度的材料——如氙——的大贮罐中被直接检测到：当它们与原子核碰撞时，氙会发光。

这类实验被放置到地下以尽量减少与WIMP相仿的宇宙射线的干扰。到目前为止，他们还一无所获。位于意大利拉奎附近的XENON100所获得最大的进展，即运行迄今的225天中（至今年2月20日），在排除了更重和更强相互作用粒子的存在后，未检测到WIMP信号。在接下来的几个月时间里，XENON协作项目将开始加大其探测器，将氙的用量提升到超过1吨，探测灵敏度将提高100倍。

PandaX是由中国自然科学基金和国家科技部资助的项目，团队包括了XENON协作项目的成员。实验室位于四川锦屏山下，经过两年的建设，于2011年正式启用。研究人员在狭小的实验室里开展自己的工作，他们希望今年年底在更轻的WIMP方面匹敌目前XENON100的灵敏度。季向东坦承，因为要依赖海外很多地区的供应商来支撑，对于在华中偏远地区工作的他们来说，无疑面临巨大的挑战。就在2月中旬，由于液态氮的交货延迟，团队未能实现其实验的冷却。幸好PandaX要比其他实验深1公里，因而更容易屏蔽宇宙射线，而这又将使其更容易提升实验规模。

资源整合抑或时机未到

中国与在美国的一些大学所组成的财团一起，投资约1 500万美元建立PandaX项目，但团队希望有更多的国际合作伙伴。1月份，PandaX向尚未与中国基金会建立协议的美国能源部 (DOE)申请合作，但遭到婉拒。相反，DOE正在资助另一个从XENON协作项目中分离出的项目，即南达科他州霍姆斯特克金矿的大型地下氙(LUX)实验。

霍姆斯特克一度是主要的地下实验室的所在地。但实验室的主要出资人美国国家科学基金会(NSF)2010年放弃了这个念头 (参见Nature http:// doi.org/bcbr7z;2010)，听任DOE独自运行该实验室，包括负担日常抽水以避免矿井水淹等全部开支。

LUX可能是所有氙实验中最脆弱的，伊利诺伊州芝加哥大学物理学家胡安·科勒(Juan Collar)说，他采用若干较小型的实验来寻找轻WIMP。“筹集资金真是令人望而生畏，”他说。DOE已经宣布，它计划在10月份减少其所资助的大型暗物质实验的数量，LUX 很可能面临经费削减的窘境 。 而XENON100的经费来自于NSF，因此不受影响。

罗得岛州普罗维登斯的布朗大学物理学家兼LUX项目发言人里克·盖茨克尔(Rick Gaitskell)说，美国需要自己的深部地下实验室以保持其在暗物质研究领域的优势。“我们为什么要放弃自己的领先地位，把所有的资源都转移到海外呢?”他问道。

然而，现在拥有也许是世界上最佳地下实验室的季向东却说，进行某些整合是必不可少的。国际社会不可能同时资助两个以上的氙实验和多吨级的探测器，他说，美国需要抉择究竟应当保留什么。同时，有许多团队致力于促进技术进步，这并不算坏。“这将有助于推进最终的暗物质实验。”

[资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣]