在中國(guó)西南部的錦屏山下約2400米處，世界上最深最大的地下實(shí)驗(yàn)室正式啟用。這片巨大的空間屬于追索暗物質(zhì)的科學(xué)家——暗物質(zhì)是一種理論上的物質(zhì)，被認(rèn)為組成了宇宙質(zhì)量的80%以上。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL）自2010年投運(yùn)，經(jīng)過(guò)三年修建，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期（CJPL-II）于2023年12月投入科學(xué)運(yùn)行。其33萬(wàn)立方米的超大空間超過(guò)了之前深度和體積的紀(jì)錄保持者——意大利的格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNGS）。

更大的空間讓粒子和天體物理氙探測(cè)實(shí)驗(yàn)（PandaX）和中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（CDEX）這類(lèi)項(xiàng)目可以再次升級(jí)。芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家Juan Collar說(shuō)：“他們?cè)谑陜?nèi)完成的工作令人贊嘆。”

暗物質(zhì)一直是科學(xué)界的一個(gè)謎。物理學(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，可見(jiàn)物質(zhì)產(chǎn)生的引力太弱，無(wú)法阻止快速移動(dòng)的星系飛散。因此，他們提出理論，認(rèn)為暗物質(zhì)就像不可見(jiàn)的膠水，把整個(gè)宇宙黏在一起。雖然暗物質(zhì)理應(yīng)無(wú)處不在，但事實(shí)證明直接觀(guān)測(cè)到暗物質(zhì)很難，因?yàn)槔碚撋习滴镔|(zhì)與普通物質(zhì)不會(huì)相互作用，也不會(huì)釋放、反射或吸收光。之前有人提出探測(cè)到了暗物質(zhì)，但反駁觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，這些實(shí)驗(yàn)可能受到了其他信號(hào)的混淆。

科學(xué)榮譽(yù)等候著第一個(gè)探測(cè)到暗物質(zhì)的人，這也是粒子物理學(xué)的最大任務(wù)之一，在CDEX合作組工作的臺(tái)灣中央研究院的物理學(xué)家Henry Tsz-King Wong說(shuō)道。

山下之光

尋找暗物質(zhì)的最佳場(chǎng)所是地下，因?yàn)閹r體能替探測(cè)器擋掉背景“噪音”，比如從太空向地球?yàn)⒙涞母吣芰Ｗ佑钪嫔渚€(xiàn)就會(huì)淹沒(méi)潛在的暗物質(zhì)信號(hào)，意大利國(guó)家核物理研究院的物理學(xué)家Marco Selvi說(shuō)，想從地球表面探測(cè)暗物質(zhì)就像在一個(gè)人聲鼎沸的體育場(chǎng)里辨認(rèn)一個(gè)小孩發(fā)出的微弱聲音。

在深地環(huán)境下，CJPL-II 的宇宙線(xiàn)通量?jī)H為地表的0.000001%，使其成為世界上屏蔽效果最好的地下實(shí)驗(yàn)室之一。實(shí)驗(yàn)室的墻體還包裹了由橡膠、混凝土等材料混合而成的10厘米厚的保護(hù)結(jié)構(gòu)，能防止周?chē)鷰r體釋放的水和放射性氡氣，以免暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)受到干擾。

實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在利用新增的空間了。在CJPL-II施工期間，PandaX團(tuán)隊(duì)將其探測(cè)器從120公斤液氙升級(jí)到4噸。當(dāng)潛在的暗物質(zhì)顆粒與氙原子發(fā)生碰撞，其能量就會(huì)轉(zhuǎn)變成能被光電傳感器探測(cè)到的閃光。

該探測(cè)器很快將趕上LNGS的XENONnT實(shí)驗(yàn)（8.6噸）以及美國(guó)桑福德地下研究所的LUX-ZEPLIN實(shí)驗(yàn)（7噸）。

PandaX-4T探測(cè)器位于一個(gè)900立方米的水池中，這是為了能進(jìn)一步屏蔽雜散粒子的干擾，團(tuán)隊(duì)成員、上海交通大學(xué)物理學(xué)家周寧表示，“靈敏度提升后，我們就能用探測(cè)器測(cè)試不同類(lèi)型的相互作用。”該團(tuán)隊(duì)最終想要打造一個(gè)40-50噸的氙探測(cè)器，有望與以40噸為目標(biāo)的達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)（DARWIN Experiment）相抗衡。

與此同時(shí)，CDEX團(tuán)隊(duì)也在部署一臺(tái)鍺探測(cè)器，鍺探測(cè)器能尋找比氙實(shí)驗(yàn)尋找的質(zhì)量更小的潛在暗物質(zhì)粒子，CDEX團(tuán)隊(duì)成員、北京清華大學(xué)物理學(xué)家岳騫說(shuō)。CDEX探測(cè)器已經(jīng)從1公斤鍺升級(jí)到10公斤鍺，并計(jì)劃打造一個(gè)1噸量級(jí)的探測(cè)器陣列。如果一個(gè)暗物質(zhì)粒子撞到了這個(gè)探測(cè)器，其相互作用就應(yīng)產(chǎn)生電荷，這個(gè)電荷會(huì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。岳騫希望CDEX能吸引更多國(guó)際合作，目前已經(jīng)有印度和土耳其的研究人員加入。

Selvi說(shuō)，雖然各國(guó)對(duì)暗物質(zhì)的搜尋非常激烈，但世界上多個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室共同開(kāi)展相似實(shí)驗(yàn)?zāi)茏屟芯咳藛T比對(duì)結(jié)果。2022年，PandaX團(tuán)隊(duì)便使用一種類(lèi)似手段確認(rèn)了LNGS的XENON 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果——該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2020年XENON探測(cè)到的一個(gè)意外信號(hào)來(lái)自背景噪音而不是暗物質(zhì)。

Collar認(rèn)為，新的方法和理論也將推動(dòng)暗物質(zhì)的研究，而不是用更大更靈敏的探測(cè)器打敗對(duì)手。他說(shuō)，“已經(jīng)有很多重復(fù)的版本了。”

周寧說(shuō)，下一個(gè)十年里，CJPL-II團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提升探測(cè)器的靈敏度。他也希望全球暗物質(zhì)研究社區(qū)能共享數(shù)據(jù)并將CJPL-II的數(shù)據(jù)與他們自己的數(shù)據(jù)結(jié)合。他說(shuō)：“我們還有很多工作要做。”