在太阳系最纯净的地方捕捉“幽灵”

席金合

在美国南达科他州的大山中，有一个深达1490米的洞穴，这是世界上最深的地下科学实验室之一，主要用于中微子物理学、宇宙射线探索、地热能、核聚变反应等科研实验。由于洞穴足够深，能有效避免宇宙射线、尘埃以及噪声对实验的干扰，研究人员自豪地宣称，这里是地球上甚至是太阳系中最纯净的地方。

实验室里，矗立着一个巨大的白色圆柱形设备，这就是世界上最大、最敏感的暗物质粒子探测器LUX-ZEPLIN（简称“LZ”）。它的体积比它的前身——大型地下氙气实验室大30倍，探测暗物质信号的敏感度比前身高100倍。2022年7月，LZ被正式启用。如今，一个研究团队正在用它寻找一种尚未发现的粒子，进而直接找到藏匿在宇宙中的暗物质。

科学家为何能确定暗物质的存在

暗物质就是暗藏在宇宙中的神秘物质，它们不会辐射任何电磁波，也不携带和传输任何信息，简单地说，就是不发光也不反光，行踪隐秘，难以捉摸。因此，人眼和仪器都无法直接感知到暗物质，它们也被人们戏称为“披着隐身衣的宇宙幽灵”。

尽管暗物质非常隐秘，它们却可以与我们能看到的物质发生作用。天文学家长期观测发现，银河系等众多星系围绕中心自旋的速度非常快。据精确计算，星系以这么快的速度旋转，外围的恒星就会像坐在旋转木马上的人一样向外甩出去。这样一来，整个宇宙就像散了架似的，会变为一盘散沙，星球之间难免发生相撞。可实际上，所有星系好像被什么力量拉扯在一起，始终有条不紊地运行。

究竟是我们掌握的物理知识错了，还是有一种看不见、摸不着的物质以自身引力维护着星系的正常秩序？科学家断定是后者。

科学家通过深入研究分析，把导致星系向外分离的力量称为“暗能量”，而把维系星系正常旋转的物质称为“暗物质”。经过粗略估算，这两种神秘的东西在宇宙中的占比约为95%。而暗物质探测器的任务，就是要找到它们。

在地下深处寻找独特的闪光

根据现有的研究成果，暗物质是一种特殊的中性粒子，不带正电也不带负电，它与普通的基本粒子几乎不发生吸引和排斥作用，被视为“弱相互作用大质量粒子”。因此，它能轻而易举地穿过任何物体乃至大型天体，来无影、去无踪地在茫茫太空中随意穿行。

科学实验发现，宇宙中的一些类似暗物质的已知重粒子与氙气原子相互作用，会发出独特的闪光。于是，科研人员在暗物质探测器内设置了两个用金属钛铸成的密封罐，里面装满10吨液态氙。之所以选择氙液，是因为它的密度非常大，每升大约3千克，比金属铝的内部还要密集，有利于抵挡粒子凭空穿过，增大与氙原子碰撞的概率。同时，为了让氙原子“静候”等待碰撞，钛罐内的温度必须保持-100℃以下，以减少氙原子的自由振动。

此外，钛罐顶部还密布着光电倍增管、光探测器和光放大器等灵敏的仪器，用于将粒子碰撞所产生的能量转换成闪光，并加以放大，让人的肉眼能看到。

当来自宇宙的那些穿透能力极强的重粒子，突破厚厚的地层进入钛罐与氙原子发生碰撞时，从氙原子中被撞出来的电子会漂移到罐顶，与那里的光电倍增管等仪器发生一系列复杂作用，让人看到奇特而美丽的闪光。由于与氙原子发生碰撞的重粒子不同，出现的闪光也不同。因此，科学家可以根据这种闪光的特征，利用排除法，推知来自宇宙的某种神秘的重粒子是不是暗物质。

这一目标一旦实现，将会颠覆人类对浩瀚宇宙的认识，原来在我们头顶上的不光是通常所看到的日月星辰，宇宙的絕大多数成员居然一直诡秘地与我们“捉迷藏”。

中国探测暗物质的方法也很多

实际上，探测暗物质的方法有很多，我国科学家早前就摸索出了好几种做法。由于暗物质的穿透力极强，可在几千米深的坑洞建立实验室，借助厚厚的岩层，隔绝来自宇宙射线的干扰，唯独让穿透力极强的暗物质粒子穿入进来，打在灵敏仪器的接收屏上，产生微弱的信号，由此观察到它的“庐山真面目”。

2010年12月12日，中国首个最深地下科学实验室——锦屏地下实验室，在四川雅砻江锦屏水电站揭牌，正式投入使用。这座隔绝性良好的地下暗物质捕捉场所，岩石覆盖厚度达2400米，位居世界之首。它的建成标志着我国拥有世界一流的洁净低辐射研究平台，能自主开展暗物质探测一类的国际最前沿研究。清华大学实验组的暗物质探测器率先进入实验室，并启动探测工作。2011年，上海交通大学等研究团队也陆续进入这里，开展暗物质探测研究。2018年6月，中国暗物质实验合作组利用国际首创的高纯锗探测系统，在一定范围内将暗物质直接探测灵敏度提高到国际最高水平。

太空收集法是我国探测暗物质的又一重要手段。分布在宇宙中的暗物质粒子在相互碰撞湮灭时，会产生我们熟知的电子、质子、中子、光子等粒子流，也就是各种射线。因此，利用卫星和空间站搭载的仪器收集这些粒子流的信号，有望发现暗物质粒子。2015年12月17日，我国成功发射了“悟空”号暗物质粒子探测卫星。它作为世界上观测范围最广、分辨率最佳的暗物质探测航天器，周而复始地在大气层外绕地飞行，几乎不受大气和地磁的干扰，在近似真空的近地太空中，忙碌地搜寻暗物质的蛛丝马迹。

更令人欣喜的是，2021年11月，中国科学技术大学彭新华教授研究团队开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术，可用来直接搜寻暗物质，实验结果比先前的国际最好水平至少提升5个数量级。该项目的核心技术是他们研制的磁场量子放大器，能明显放大磁场，从而极大地提高磁场测量灵敏度。由于暗物质与原子核发生微弱的相互作用，会产生一个特别微小的磁场，利用这台可与美国钛罐相媲美的超灵敏仪器，如果在宇宙空间测量到磁场的话，可证明暗物质粒子的存在。