转自：中国科学报
基于标准宇宙学理论，我们的宇宙有普通物质、暗物质、暗能量三大组成部分。宇宙中95%是暗物质和暗能量，其中27%是看不见摸不着的暗物质。捕捉到暗物质粒子将带来人类认识宇宙的重大飞跃，可能产生新的物理学革命。
在11月3日举办的第十二届腾讯科学WE大会上，上海交通大学李政道研究所特聘教授、副所长和PandaX暗物质实验首席科学家刘江来把暗物质比作宇宙中的“雾霾”，地球则是在“雾霾”中行驶的汽车。
为了捕捉到这看不见摸不着的物质，他和团队在四川锦屏山深处，建了一座暗物质探测实验室，以期将“雾霾”颗粒撞击汽车发出的“响声”记录下来。
大会上，刘江来分享了团队最新的探测成果：PandaX-4T实验给出了世界最好水平的暗物质-核子相互作用上限，并发现太阳中微子和氙核弹性散射迹象。
但探索是无止境，且无法预期的。刘江来列出未来实验升级计划的同时，也期望着暗物质探测“转折点”早点到来。
而这个转折点，也许会发生在十年、百年之后，也有可能在明天出现。这正是，科学的魅力所在。
氙的作用
尽管目前科学家没有找到暗物质粒子存在的直接证据，但已摸索出了它的一些特性：不跟光发生作用，会“隐身术”；和普通物质的相互作用非常弱，具有非常强的穿透性，可以穿越整个宇宙空间来到地球。
探测暗物质有多种方法，刘江来和团队采用的就是直接探测法，即把一个灵敏的探测器放到一个极其安静的环境中，待暗物质粒子到达探测器，与原子中的电子或者原子核碰撞后，就去“捕捉”碰撞发出的反冲信号。
这样的“守株待兔”，需尽可能避免其他因素，例如宇宙射线的干扰。所以研究团队将探测器放在锦屏山底2400米深处，并将探测器层层包裹，使得大多数宇宙射线能够被屏蔽，不与探测器内部原子相互作用。
刘江来和团队的探测计划被称为PandaX，实验的核心，在于采用“氙”进行暗物质探测。研究人员将5.6吨的氙气液化到负100度，来运行探测器。
为何是“氙”？刘江来解释，氙是一种稳定的惰性元素，把它从气相变成液体后，可以做成一个体积相对较小，重量相对较大的探测器。“而且因为探测器灵敏度是和探测体量成正比的，利用氙比较容易扩容，以增强灵敏度。”
在氙中，暗物质粒子和原子碰撞后产生的闪烁光，以及暗物质粒子电离出的一些电子在探测器内转化为光信号后，都能被探测到。研究人员将初始的闪烁光和后续的电子信号结合起来后，就可以对每一个碰撞事件的位置进行3D“照相”。
同时，液氙探测器对碰撞事件能作一些甄别，判定其是本底还是信号。本底就是噪声，而后者就是实验所想要找到的暗物质和原子核碰撞的信号。
不仅如此，液氙本身密度很大，是水的三倍左右，对外部的辐射有很好的屏蔽作用，这使得研究者能够在液氙中更“纯净”的区域来寻找暗物质信号。
探测器的进阶
2009年起，刘江来和团队就开始进行PandaX实验。
15年间，他们一共建设了三代探测器，第一代实验用120公斤液氙做成了探测器靶，第二代升级到了580公斤液氙，如今运行的则是4吨级的液氙探测器。
“当探测器灵敏到一定程度以后，就应该能够看到在我们的环境中跟暗物质性质非常像的，一种已知的‘幽灵粒子’，即中微子和原子核碰撞的信号。”刘江来表示，团队的研究距离这个“边界”还有两到三个数量级参数空间。“如要覆盖，则需大概200吨/年的曝光量，也就是200吨的探测器运行1年，或者1吨探测器运行200年。”
不断向上跳的过程中，探索者们伸出的手，离“边界”似乎越来越近。
“太阳由于核反应产生出中微子，最高能段的中微子叫硼-8中微子，可以和氙核发生弹性散射。”两个月前，刘江来和团队发表了对这种太阳中微子和氙核弹性散射的数据。他们一共发现了75个这样的事例，和团队预期比较接近。
这样的“一小步”让刘江来尤为惊喜。“的确没有任何一个团队曾用暗物质探测器捕捉到过太阳中微子和氙原子核弹性散射的信号，而且他们采用的都是数百吨级、千吨级甚至万吨级的实验装备，我们只用4吨级的探测器就做到了。”
但他仍保持严谨：“目前看到的只能称为‘迹象’，仍然有0.4%的可能性是本底的涨落。”而要“挑”出这些可能性，需要对事例更深入细致的探究和测量，以及更灵敏的探测手段。
不要停止探索
新的发现，让他对未来的实验更充满期待：液氙探测器不仅能够用来寻找暗物质，还能“捕捉”神秘的中微子。团队在现有运行的基础上，也正考虑进一步的探测器升级计划。
“探测器中的原子越多，就越能够使得在相对比较短的时间中发现暗物质的信号。”刘江来说，也许明年就会开展20吨级的液氙实验的升级工作，再根据情况逐步升级到40吨级。
而在未来10-15年的时间，如果探测器可以积累200吨/年的曝光量，也许就能够证实暗物质的存在。
“如果我们还是没有找到，也并不意味着我们的研究没有意义。”刘江来提到了在19世纪末，科学家提出了宇宙中充斥着一种叫“以太”物质的假说。后来，研究者迈克尔逊和莫雷设计了一种高精度的光学的干涉仪，尽管没有测到地球和“以太”之间的相互运动，颠覆了所谓的“以太”学说，却催生了爱因斯坦的狭义相对论，使得物理学迎来新的“转折点”。
“暗物质就是今天的‘新以太’，不论我们是否找到它，寻找本身都是对前沿科学的探索，必定产生深远的影响。”刘江来说道。
而这个过程注定漫长。“在每一代探测器的进阶过程中，我们都遇到了各种各样，从未遇到的问题。手边没有教科书可参考，都是自己想办法解决。”但在刘江来眼中，不可预期性和由此产生的灵感和想法，正是暗物质探索的意义。“我们的宣传中总是说科学研究过程是极其艰苦的，但其实身处其中的大多数科学家，非常享受。”
很多人也会问，研究暗物质，除了了解宇宙外，到底还有何用？“现在我没法给你一个回答。”但刘江来借用了《三体》的一句话：“弱小不是生存的障碍，傲慢才是”。
“我们对于宇宙知道得还是太少了，所以要保持谦虚，不要认为生活足够好了，就停止探索。”
刘江来。活动主办方供图
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