岩下2400米研究暗物质

世界最深、中国首个极深地下实验室在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用。中新社图

本报讯 中国影星刘烨曾出演过美国影片《暗物质》，许多科学“粉丝”对宇宙中神秘的暗物质开始着迷。看不见摸不着的暗物质究竟是什么，成为21世纪最大的科学谜团。为了揭开暗物质神秘的面纱，全世界的科学家各显神通致力于“捕捉”暗物质，想将它“看”个明白。

作为中国首个极深地下实验室，中国锦屏地下实验室12日在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用，这个世界岩石覆盖最深的实验室的启用标志着中国已经拥有开展物理学重大基础前沿科学研究的自主地下实验平台。

实验室在岩下2400米

清华大学副校长、中国锦屏地下实验室主任程建平说，实验室是清华大学和二滩水电开发有限责任公司合作，利用二滩公司为建设水电站修建的锦屏山隧道建成的，其垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室。

据介绍，地下实验室尤其是极深地下实验室，是开展粒子物理与核物理学、天体物理学及宇宙学等领域的暗物质探测研究、中微子物理实验研究等一些重大基础性前沿课题的重要研究场所，是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境，也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。地下实验室为国家提供综合性的重大基础科学和应用科学研究平台，是一个国家关键性的重大基础科学研究设施，建设和发展极深地下实验室具有重要科学意义和应用价值。

多国已建地下实验室

目前，美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等许多国家都已经建立起地下实验室。中国此前一直没有很好的地下实验室，特别是极深地下实验室，许多相关领域的研究工作无法开展或只能与国外有条件的实验室联合开展。地下实验室主要是用来屏蔽高能宇宙线对于暗物质、双贝塔衰变以及中微子实验的本底影响。评价一个地下实验室性能的最重要的参数之一就是宇宙线通量水平。

两所高校研究团队先后入驻

据了解，中国锦屏地下实验室已经开始进行包括宇宙线通量、中子本底、伽马本底、氡含量等一系列实验室参数的测量工作。虽然目前实验室规模相对较小，但利用其开展前期研究，进行宇宙线通量、环境本底、地质结构等方面的深入研究，将为中国未来在锦屏隧道这一独特环境建设国家级的大型极深地下实验室奠定工作基础。

目前，清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入锦屏地下实验室，并启动探测工作。明年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

我国在建设二滩水电站过程中，四川锦屏山底曾修建了18公里可以通行汽车的隧道，上面是2400多米厚的山体岩石。这些平常的隧道，在那些苦苦寻找实验环境的宇宙学研究者眼里，却成了“香饽饽”。

地下实验室在隧道里

上海交大2009年2月成立的粒子物理宇宙学研究所，就相中了锦屏山隧道作为地下实验室的建设地点。这里将成为研究所成立后首个实验的开展地，专门“搜捕”暗物质。目前这里是世界上最优越的探测暗物质的环境。

之所以称之为最优，据交大物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东介绍，该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道，在其侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比，使用更为便利，不必坐着电梯上上下下，乘坐汽车就能“入地”。而埋深2400米的隧道，更是难得，因为埋得越深，宇宙射线的干扰就越少。

“地下工作”并无不适

上海交大粒子物理宇宙学研究所特别研究员倪凯旋是暗物质探测国际合作项目XENON的交大组负责人，也是该实验数据分析组组长。在去年的一年里，他曾在意大利著名的Gran Sasso实验室工作。Gran Sasso实验室建在地下1400米，也是基于地下隧道建造的，在全球的地下实验室中，空间是最大的。那里，有十几个大大小小的实验同时在进行，有探测暗物质的，也有探测中微子等的。

“从地面上开车大概20分钟，就能到达地下实验室。”倪凯旋还记得第一次“入地”的感觉。戴上安全帽、穿着硬底鞋，进入实验室，入眼是各种仪器设备。“那里四季恒温，冬暖夏凉，不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是，那里没有窗户，刮风下雨丝毫感觉不到，进去久了也容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。”

“地下工作”时间久了，人是否会有不适？“地下实验室的通风设备很好，丝毫不会感到气闷，人在下面呆个半天，不会有任何异样的感觉。”倪凯旋说，一旦仪器运行稳定后，他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可，而地下实验室的所有数据也会传送至地面，因而，科研人员无需24小时“守”着探测器。

◇地下揭秘

地下隧道实验室四季恒温

◇释疑

何处有大量暗物质

长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。

茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存在着我们看不见的物质。

现已知道，宇宙的大结构呈泡沫状，星系聚集成“星系长城”，即泡沫的连接纤维，而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”，这么大的空洞是不能维持的，就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。

我们的宇宙尽管在膨胀，但高速运动中的各个星系并不散开，如果仅有可见物质，它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。

我们知道，太阳系的质量，99.86%集中在太阳系的中心即太阳上，因此，离太阳近的行星受到太阳的引力，比离太阳远的行星大，因此，离太阳近的行星绕太阳运行的速度，比离太阳远的行星快，以便产生更大的离心加速度（离心力）来平衡较大的太阳引力。但在星系中心，虽然也集中了更多的恒星，还有黑洞，可是，离星系中心近的恒星的运动速度，并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心，在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。

◇关注

“捉拿”暗物质很不易

让不少人难以理解的是，暗物质在宇宙中，科学家为啥要“钻”到地下去探测呢？这是因为暗物质是种颇有“个性”的粒子，它质量很大，但作用力却微乎其微。

“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体，但你却感受不到，这是因为暗物质的散射截面很小。”倪凯旋打了一个比方，就像一只足球能被球网挡住，但是一个小铁球就能穿网而过，就是因为它的截面比球网的网格小。

如何“网”住暗物质？科学家们也想了很多办法。

最初的办法是天文观测法，但是，却无法解答“暗物质是什么”。后来，人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞，探测碰撞产生的信号。而在地面上，因为宇宙射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。

◇名词解释

不能反射光线，也不能吸收光线

宇宙幽灵暗物质

在宇宙学中，暗物质是指那些不能反射光线，也不能吸收光线的物质。科学家称之为宇宙中的“幽灵”。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4％，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。

现代意义上的暗物质概念最早是由瑞士天文学家弗里兹-扎维奇于1933年提出的。当时，扎维奇认为，一个遥远的星系簇即将分崩离析，但这种分离不是由常规的重力牵引所造成的，而是由不可见宇宙物质所导致的。在扎维奇所描述的这种现象中存在的神秘物质，由于它既不能反射光线，也不能吸收光线，用望远镜根本无法观测到它们，因此被称为暗物质。自1933年起，科学家们就一直在暗物质是否存在这个问题上争论不休。

◇相关新闻

美科学家曾宣称

捕获暗物质粒子

2009年12月，美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家发表声明称，他们在一个废弃的地下铁矿中捕获到暗物质粒子。如果这一发现最终得到证实，它将成为近百年来物理学领域最重要的发现之一。据研究人员介绍，这个地下铁矿就是美国明尼苏达州北部的索丹铁矿，大约位于地面之下800米的位置。在索丹铁矿的底部，安装有高敏感探测器，这些探测器都是美国“低温暗物质搜寻计划”的实验装置。

本版稿件均据新华社、新民晚报

白诗洋 制图

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