季向东：“与世隔绝”中追寻暗物质踪迹

张懿

走过两道沉重的不锈钢门，隧道内的气味、声音和尘土都被隔离在外，锦屏地下实验室终于展现在记者面前。这是一个约40米长、6.5米宽、7米高的方方正正的空间。

锦屏地下实验室目前正在同时进行两项实验。一是上海交大牵头的PandaX，该研究尝试以氙原子核为“树”，等候暗物质的撞击；二是清华大学牵头的CDEX实验，他们的靶子是高纯度锗。

除去公共设备空间，实际上交大PandaX实验真正占据的面积只不过60多平方米，大约也就是一套一室一厅，里面塞得满满当当。

身处地下2.5千米的地方，其实并不能在“居住条件”上提太多要求。为了尽可能利用空间，研究者自己搭了一个阁楼，把实验室变成了一个“复式”。

实验室里最引人注目的，无疑是一个2米多高的铜制容器，它就像一个超大的茶杯，外面包裹着极厚的一层白色屏蔽体。

在它旁边，几位年轻的博士生正在调试一个齐胸高的不锈钢制圆柱体容器。季向东告诉记者，这就是实验的核心—液氙探测器。等调试好，这个探测器就将被整体起吊，装进铜制容器与白色屏蔽体一起构筑而成的“碉堡”里，开始收集数据。

简直如“大海捞针”

要大略解释清楚暗物质实验的原理并不很难。宇宙空间中的暗物质粒子穿透大山的屏蔽后，如果幸运，可能会有一颗粒子与探测器里的某一颗氙原子核相撞，发光，进而被探测器内部的光电感应系统捕捉到。由此产生的一组数据，会被传输到计算机中，留给日后分析。

其实，这个实验的关键，是不断地做乘法和除法：乘法，就是不断提高仪器灵敏度，尽可能搜集更多的数据；除法，就是在搜集到的海量数据中，尽可能去除干扰。

为了提高撞击的概率，PandaX实验使用了液态的氙。液氙可能是比重最大的透明液体之一，大约是水的三倍。而在探测器内的光电感应装置，其灵敏度之高，甚至不会放过区区一个光子（一只白炽灯泡每秒大约制造1000亿个光子）。

为了降低噪音，由10厘米厚的铜、60厘米厚的聚乙烯，以及20厘米厚的铅块组成的屏蔽堡垒，能够将实验室中的中子、伽玛射线等阻挡在探测器外。别忘了，实验室头顶还有2500米的岩层，已经把宇宙射线的干扰缩小到了地表的一亿分之一。

但光靠物理隔離，还不足以将噪音完全去除，即使在这样的环境中，各种与暗物质无关的辐射物每秒还会与探测器中的氙原子核发生成百上千次碰撞，这些干扰信号要靠电脑来自动甄别。季向东告诉记者，电脑的选择大约是“千里挑一”—最终值得PandaX实验装置记录的发光事件，大约每秒只有1次。累计起来，每年就是3000万个左右。

高山屏蔽、层层隔离、千里挑一，而后在整整一年中筛选出的3000万次发光事件中，有多少可能会与暗物质真正有关？

季向东说，很可能不会超过1个。

而要最终确认它就是暗物质碰撞的产物，还有一个艰难的自我挑战过程：“我们必须穷尽一切方法，直到现有的理论都没法解释它，这才能说，我们发现了暗物质。”

大海捞针，古人发明这个词的时候，也许想不到会如此贴合暗物质实验。

“高性价比”的研究

上海交大的PandaX团队，目前正在组建一个100公斤级的液氙探测装置，为实现这个目标，整个探测装置最终要注入约300公斤的氙。

市场上，液氙的价格是每公斤约1万元。也就是说，光这些氙的价值就在300万元左右。

但氙远不是最贵的实验材料。探测器内的高灵敏度光电管，别看大小只相当于一个汽水瓶盖，但每个的价值都抵得上一辆汽车。

光电管很脆弱，如果温度控制不当，探测器内的液氙沸腾气化，气压迅速升高，很容易让光电管报废。所以，这个实验需要一个几乎不能出错的自动冷却系统，使探测器内部永远保持在大约-100℃的低温状态下。

所以，在锦屏山实验室中，PandaX项目的终极冷却方案是一套由几部手摇吊车、几个大桶和足够多的液氮组成的系统。这个纯机械的装置能保证在电力供应中断后也可以继续运转。

实验中的昂贵仪器还有许多。随便挑出一台小小的气体分析仪，就价值几十万元。

许多细小的配件也很特别，都比日常生活中的同类产品贵上十倍，包括连接管道时用的垫圈，看似就一个普通的铜片，但它有能力在-200℃的低温里保持管道接口的密封性。甚至用来给探测器擦灰的“纸巾”都是专用的—这类纸不会掉落任何细小的纸屑。

不考虑实验室的开挖、建筑投入，整套探测装置的成本在数千万元。

这算贵吗？季向东没有直接回答。他说，他认可一句话：中国的基础研究要“有所为、有所不为”。因为“这表明，我们国家现在虽然不能干所有事，但在现有的经济基础下，可以干一些事”。

而暗物质实验就是在当下“可以干的一件事”。

其实，与其他大型物理实验装置相比，暗物质探测要便宜得多。欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC，总投资超过40亿美元；丁肇中博士主导的阿尔法磁谱仪实验投入达20亿美元。

但更重要的是，最近10年，越来越多的天文观测证据支持暗物质的存在。整个物理学界都渐渐认为，暗物质研究可能会在未来10年内取得历史性突破。而且，欧美日等国外科学家已经在地下实验室开展了一段时间的暗物质探测工作，他们为全球的同行积累了经验。

“虽然人们一直没找到暗物质，但科学家相信它是有可能被找到的，而且工程技术已经可以支撑这种严肃的探测。”季向东说，用这样的投入规模，去尝试探索一个可能极有突破性的科学发现，可以说，“性价比”非常高。

更何况，锦屏山底的这个实验室，其天赋条件又是如此独一无二。它是目前埋藏最深的实验室，这使得室内的宇宙射线噪声指标仅有全球最著名的地下实验室—意大利格兰萨索（GranSasso）的1/300。而与在美国杜赛尔地下实验室举行的LUX实验相比，锦屏山的交通物流与保障条件也要优异得多。杜赛尔实验室位于南达科他州一处废弃的矿井里，上下全靠升降机，这限制了大型设备的安装进出。但在锦屏山，重型卡车可以直接开到实验室门口。此外，杜赛尔实验室必须日复一日地抽水以防被淹，单单此项，每年耗资就达上千万美元，但锦屏地下实验室没有这个支出。

《自然》杂志的新闻板块曾专门刊文，介绍锦屏地下实验室的工作，并认为锦屏山“很可能成为世界上最好的地下实验室”。这也从侧面进一步支持了中国学者的选择。

实际上，暗物质实验越深入，所要求的灵敏度越高，就越需要更厚的岩石来屏蔽宇宙射线。所以，也许锦屏地下实验室在自然天赋上的优势，会随着研究的推进在未来一步一步展现。

目前，PandaX项目得到了国家自然科学基金、科技部和教育部的资助。但季向东依然缺钱，依然在努力省钱。每次出差来锦屏，他都会和常驻当地的博士生一起住狭小的营地宿舍，和水电工人吃同一个食堂。

他必须精打细算，因为接下来的几年中，他必须用有限的经费，持续不断地将暗物质实验的精度推往一个又一个的极限。而且没人知道，极限究竟应该在哪里。

前沿科学也很琐碎

在锦屏山，记者与上海交大课题组相处了三四天。以一个外行的眼光来看，这个工作既前沿，也充满了琐碎。

大量的时间耗费在了仪器的调试、查错、安装，然后是再调试、再查错上。其中一个工序是查漏—拿着探针，在注满氙的探测器表面，慢慢检查是否有氙气的漏点。这次，他们查出的泄漏值是极其微弱的0.003毫升/秒。

之后，仅仅要将探测器从调试位置吊进“屏蔽堡垒”，就要花两天。探测器通过许多接口连接着各种管线，就像脐带和神经。每次吊装，所有接口都会拆开，再接上。有时候，仅仅为了接上两根管子，组成一根“脐带”，就可能花上一个小时。因为这些接口都要求在高压、低温的条件下进行，以保证绝对的密封。

吊装就位后，就要往探测器里注入氙气。而为保证氙气的纯净度，加氙前，首先得用特殊的真空泵，将探测器内的所有分子吸走。抽真空，起码得三天。

暗物质实验挑战的不仅是物理，似乎也在考验人在精准度、稳定性、耐心以及不犯错等方面的极限。任何通常条件下微不足道的闪失、误差，在这里都可能被剧烈放大。因为科学家要捕捉的，是最微小的粒子产生的最微弱的信号。因此，必须用最专业的精神来面对最琐碎的一切。

季向东向记者讲述了一个曾让他冒汗的经历。暗物质探测器的“心脏”，密布着一百多个昂贵又极端灵敏的光电管。此前，从未有人发现其中可能存在隐患，直到有一组日本科学家在他们自己的暗物质实验里发现，光电管背后的那层极薄的电镀铝膜，可能存在极其微量的放射性。

如果不能去掉这部分放射性干扰，日本小组的工作就很难继续。此前，他们的研究处在世界最前列的位置。由于光电管是极端精密的商业化产品，实验室无法修补，更不可能自制。唯一的出路，就是试着在容忍这些干扰的前提下，想办法将被“污染”的数据排除掉。

可惜的是，日本的方案无法甄别光电管的干扰和暗物质的信号，他们陷入了泥沼。

幸运的是，PandaX实验可以剔除这部分噪声。也就是说，整套装置不用另起炉灶。

也许这就是科学。哪怕用尽所有努力，仍然需要一点运气。

当然，运气不可能永远站在你这边。记者在锦屏山时，恰逢探测器调试完毕，开始吊装。季向东说，他希望吊装就位后，就可以开始“守株待兔”、搜集数据了。可他也承认，实际上这已经是PandaX装置在半年多时间里第十次重复这个动作了。之前，每回吊装，研究团队都希望是“最后一次”。不过，每次都最终会遇到一些意外的小问题，而不得不重新将探测器移出屏蔽体，拆开检测。

所以，没人能保证，这会是“最后一次”调试。

季向东说，暗物质实验有其特殊性。因为这一整套装置中的多数组件，都是老师和学生们自己动手DIY的。这与节约成本无关，因为实验要用到的大部分组件，根本没有成熟的商业化产品可买。

最简单的如探测器外的保温套，就是博士生们像纳鞋底一样，一针一线，用一层层保温纸缝出来的。连商业化程度非常高的氙气都无法“拿来就用”。因为实验对精度要求太高，所以，交大在校园里自制了一个净化塔，将买来的高纯度氙再行深度过滤，将纯度再提高了4个数量级。

2012年8月，PandaX的整套实验装置从上海运抵锦屏山，之前，这套极其复杂而精密的装置已经在交大校园的实验室里接受了反复的优化和测试。可以想象，DIY靠的就是手艺，但全手工就免不了误差。

所以，必須耐心，同时保持信心。

众人拾柴

为了准备暗物质实验，中国科学家等了很久。

此前，因为缺乏自己的地下实验室，国内的研究团队只能加入国外的暗物质课题组。但在国外的项目中，中国团队几乎不可能获得主导地位，多数是扮演实验中某个技术支持的角色。

因此，当锦屏山隧道被确认具备建设国际级实验室的一切条件后，国内科学界当然是竭尽所能，让这个梦想成真。整个过程不必细表，但清华以及交大都付出了大量的努力，雅砻江水电公司也给予了积极的回应。随着实验室的土建部分完工，初步具备实验的条件后，锦屏山自然就对那些有志于暗物质研究的人们构成了强大的吸引力，一批原先在海外的学者来到中国，来到雅砻江边。

就拿PandaX实验来说，季向东的团队是高度国际化的，许多人都曾在国际一流暗物质实验室工作并取得过不俗的成绩。目前的研究骨干中，包括一批从中国赴海外留学的优秀青年学者，更值得一提的是曾任Xenon100实验技术总监的卡尔·吉伯尼。

Xenon100由美国哥伦比亚大学主导，依托意大利格兰萨索地下实验室工作。这个团队曾长期在全球液氙暗物质探测中居领先地位，而卡尔·吉伯尼就是Xenon100在工程技术环节的灵魂人物。目前，他已受聘于上海交大开展全职工作。

季向东曾向《自然》杂志表示：“我们想证明，国际一流水平的暗物质研究也可能出现在中国。”面对本报记者，他解释道，这句话一方面是给所有人的一个激励，另一方面是真的怀有信心。

卡尔的加盟，使得PandaX“站上了前人的肩膀”。季向东说，PandaX充分汲取了Xenon100的经验教训，在技术路线上更进了一步。如果顺利，它可以更方便、快速地用于探测暗物质的液氙用量，从100公斤上升到吨级—氙的用量决定了探测器的灵敏度。氙用得越多，与暗物质碰撞的概率也越大，但整个装置的维护难度也更高。

在PandaX的团队里，一批二十四五岁的博士研究生也许是最幸福也最辛苦的人。在这样的年纪直接参与一流的物理实验当然幸福，但长期驻扎在偏远山区也有许多辛苦。从2012年8月到2013年4月，肖梦娇只在过年时回家，离开了不到2周；在此之前，为了将实验器材从上海押运到锦屏山，随车的谈安迪三天三夜没合眼。

在锦屏山，博士生们根本没有休息日，因为实验室每天都有事要忙。但他们同时也告诉记者，他们“说不出理由地喜欢物理”。

不得不提的还有锦屏当地的建设者。没有雅砻江水电公司的支持，科学家们根本不可能在大山里得到一个实验空间；而离开后勤，地下实验室只是一个黑暗的孤岛。

季向东说，为了建立实验环境，雅砻江公司和清华大学仅为搭建专用的通风管路，投入资金就将近500万元。如果通风不畅，岩石释放的氡气会让实验室里的放射性水平迅速超标。

一路采访中，记者也不断体会着基层劳动者对研究者的感情。从驾驶员、建筑工到后勤经理，虽然他们很难答得上“暗物质是啥”的问题，但所有人都用百分之百的努力，回应着科学家的各种需求，而且，这些支持与付出，说到底都是他们的分外事。

季向东说，暗物质实验要拼命去做，但结果没人能预料，也有可能最终一无所获。

从科学上，目前的实验如果不能发现WIMP粒子，就等于是为这种粒子的大小划定了一个上限，这也可以为后续更高水平的研究指出方向。

但除此之外，季向东更看重暗物质探测的文化意义。

他说，如今的中国应该有能力、也有理由拥有这类国际一流的基础研究项目。从功利的角度来看，暗物质即使被发现，短期内也的确不会有任何用处，但毫无疑问，这个探索一定能提升中国的软实力。更何况，正如历史上那么多“无用的研究”一样，科学总会在适当的时候，给予矢志于它的人们一个巨大而又意外的回报。

（本文转自《文汇报》）