最灵敏仪器未发现任何暗物质

“中国锦屏地下实验室”示意图

　　这个世界，还有很多未解之谜。宇宙中，人类可见可知的物质成分只占4%左右，还有27%左右是未见未知的暗物质，另外七成左右则是同样神秘的暗能量。昨天，中国科学家主导的大型暗物质探测“熊猫计划（PandaX）”实验组，在上海交大发表了立项4年来的首批物理数据。这项在四川2000多米深洞中开展的实验，目前尚未找到暗物质的任何踪影，同时对之前国际上发现的疑似暗物质信号提出质疑。人们不禁要问，地球上真有暗物质吗？

　　每秒上亿暗原子穿身而过

　　长期以来，全世界的物理和天文学家通过大量天文观测，推断出宇宙中暗物质的成分占比极大，它们与普通物质一样具有质量，却与普通物质不发生电磁作用和强相互作用。因此，暗物质可以在普通物质中穿梭来往，几无阻拦。在人类所在的银河系，暗物质更是比普通物质多20倍以上。可以说，地球以及太阳系在整个银河系暗物质的“雾霾”中运动，暗物质随时都在轻易地穿越地球和太阳。

　　近年来，人类在发现“上帝粒子”过程中运用了高能粒子对撞机制，在稍纵即逝的撞击“火花”中，捕捉最后一种未被实验证明的粒子。然而，这种“上帝粒子”配上了诺奖，人们建立的粒子物理标准模型也已完备，却仍无法作出对暗物质粒子的解释。

　　本世纪以来，国际上相继开展了20多个暗物质探测实验，也就是期待暗物质的“暗原子”把探测器中的“靶原子”撞飞。项目负责人、上海交大物理和天文系季向东教授用“守株待兔”来形容实验——他解释称，事实上每秒钟大约有上亿个暗物质原子穿透我们的身体，但人体内的原子数量达1亿亿亿个，也就是10的23到24次方，因此一天中体内某个原子被撞到的概率不足一次。更何况，暗物质穿身而过的速度达每秒220公里左右。

　　实验尚未发现暗物质信号

　　即使暗物质与物质的原子撞到了，也只产生极其微弱的光电信号，且必须被及时探测并捕获。而在地面上，看不见、摸不着的各种宇宙射线，对这样的“暗物质捕手”造成极大的背景辐射干扰。为屏蔽繁杂的粒子撞击信号，实验不得不深入地下。

　　“熊猫计划”实验正是在世界最深的四川锦屏山地下实验室进行的。这一实验场所由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司于2010年联合开发，在隧道工程建设中利用了一个约2400米深的人工井。山洞上方被深厚岩石层所覆盖，阻挡外界信号。

　　PandaX是“粒子和天体物理氙探测器”的英文简写，以惰性元素氙（Xe）作为探测媒介。实验由上海交大牵头组织，合作组包括中美6家研究机构和大学在内，首期使用了约120公斤的液态氙作为“靶子”。在今年5月开始的暗物质探测数据中，探测器记录了约400万个粒子撞击事例，在暗物质可能产生的“能量区”大约有1万个事例，而在探测器最“安静”的中心——37公斤液氙中只有46个事例。通过与放射源的定标比较，这最后的46个事例全部来自放射性本底，没有暗物质留下的痕迹。

　　季向东分析认为，120公斤级液氙探测器的灵敏度已达世界先进水平，能对至今为止所有暗物质探测实验获得的疑似数据信号进行高精度验证。从现在的测量结果看，近几年意大利、美国、德国等国开展的4项实验，发现的均为疑似轻质量暗物质信号，而人类最可能发现暗物质的“能量区”应是实验还未涉及的重质量信号区。

　　世界最大探测器明年建成

　　“熊猫计划”是中国开展的首个百公斤级大型暗物质实验，而更大能级的实验才可能捕获真正有价值的暗物质线索。据了解，实验成功的关键在于近十年来发展极为迅速的液氙探测技术。欧美在这项技术上正在加大投入，比如世界上处于运行状态的最大液氙探测器就是美国250公斤级的LUX探测器，它位于美国南达科他州地下矿井中，而我国实验的探测规模仅次于它。

　　在首次排除较轻质量的疑似暗物质信号后，“熊猫计划”PandaX正在建造一个500公斤液态氙的探测器，计划明年建成，届时“半吨级”实验将是世界最大规模。其灵敏度可比现有装置放大20倍左右，并可进入重质量暗物质信号区进行搜索，覆盖这一“能量区”的一半面积。季向东表示，随着能级提升，“熊猫计划”有望找到理论预言的、较重质量的一类暗物质粒子，将人类对宇宙万物的认识进一步推向深入。