[四川广播电视台]上海交大教授成都讲暗物质：宇宙幽灵粒子探寻之旅
你能想象么，宇宙中有96%的东西我们从来都没有见过！它们是什么？它们在那里？怎么才能发现它们的踪迹？
四川锦屏山2500米深的地下神秘实验室里，上海交大讲席教授、国家“千人计划”专家季向东领衔的PandaX计划已经进行了4年，这是探测世界科学最前沿的暗物质研究计划之一，团队在这个世界埋深最深的地下实验室中聚精会神地探寻着宇宙中最神秘粒子——暗物质的存在。
11月28日，季向东教授在成都七中以一场生动的科学报告，带领中学生们进行了一次宇宙幽灵粒子的探寻之旅。报告还通过成都七中网校向四川、重庆、云南、贵州、甘肃、西藏五省一市的160多所中学的上万名师生进行了直播。
精彩魔术演绎科学奥秘
将一支娇艳欲滴的红玫瑰放入一杯不断涌出白雾的神秘物质里，会有什么奇妙的事情发生？几分钟过后，季向东教授将玫瑰花取出，在桌子上用力一敲，玫瑰花瞬间变成晶莹的碎片散落一地。在现场一片惊叹声中，季向东娓娓道来：“这杯冒着白雾物质就是液氮，刚刚大家领教了它对玫瑰花的超强急冻能力。这个小小的实验是想告诉大家，经过液化处理的惰性气体有着超低的温度，反过来讲，只要给惰性气体一个超低的温度，它就可以被液化，而我们正在进行的暗物质的实验就要用到这种液化后的惰性元素，只不过用的不是液氮而是液氙和液氖”。
季向东介绍，暗物质暗能量是基础物理的前沿问题。2011年获得诺贝尔物理奖的三位物理学家，他们的贡献是发现了暗能量。随着现代科学技术迅猛发展，特别是近二、三十年来，人类对宇宙有了比较深刻的认识。以前，我们以为地球、太阳、星星等这些物质的研究已经就是宇宙的全部了。其实并非如此，主宰着宇宙命运的，并不是我们平常所熟知的原子、分子之类的物质，而是暗能量和暗物质。根据现在的了解，暗能量约占宇宙总能量的73%，暗物质约占宇宙总能量的23%，两者之和就占到宇宙总能量的96%。暗能量和暗物质它们的本性是什么？尽管我们知道它们在宇宙中占有多少比例和成份，但研究起来还是很困难。在物理系的粒子物理宇宙学研究所，有一批人在研究暗能量和暗物质这些看来像是虚无飘渺的东西，我们称自己为“96%团队”（研究宇宙普通物质之外那96%能量的团队）。其实，在我们身边，暗物质无处不在，我们研究的第一个目的就是为了能够将其探测出来，但目前为止，地球上最灵敏的探测器都无法探测到它的存在。
用液氮浸泡过的玫瑰花被砸到地上。
季向东将暗物质形象地比喻成宇宙中的“幽灵”，他说，“说到探测器，我要解释一下，因为暗物质跟普通物质几乎不相互作用，所以由普通物质而建成的探测器很难感知它的存在。暗物质有点像“幽灵”，到处都有。但我们要把这个“幽灵”给“抓住”的话，需要造一个非常灵敏的探测器。现在世界上有很多团队都在寻找暗物质，用的探测手段各有不同。我们是利用比较成熟和易于做大的液氙技术，将氙气制冷至零下100°C，使其变成象水一样的透明液体。当暗物质跟氙原子发生碰撞时，氙原子就会发光，同时也会产生自由电子。我们的工作就是要想办法把这些微弱的光和几个自由电子探测出来，而且确认这些信号不是由其它原因引起的。”
2500米下的执著探究
2010年中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站投入使用，实验室垂直岩石覆盖约2500米，厚度居世界第一。这标志着中国已具备了世界一流的洁净、低辐射的物理学重大基础前沿研究的自主地下实验平台。为了躲避宇宙射线的干扰，PandaX实验就在这里进行。季向东清楚地记得第一次到锦屏山的日期：2009年的3月17日。那时，锦屏山隧道刚贯通半年多，洞壁一直在冒水。穿着长雨靴，淌着一尺多深的水，季向东进了隧道。他说：“我们就是要在这样极端的环境下，争取把暗物质探测实验的精度做到极致。”每天，上海交大暗物质实验组的常驻老师和学生，从隧道东出口的营地宿舍出发，坐车进入隧道的实验室。中午回宿舍吃饭后再进洞，直到晚上。季向东说，原来课题组曾计划中午不出洞，把饭带进实验室吃，这就可以省下路上奔波的时间。但试了之后发现，在这样与世隔绝的洞里从早待到晚，心理上有些扛不住。
就是在这样艰苦的环境中，经过不懈地努力，今年8月24日，这个以中国科学家为主导的大型暗物质探测实验组PandaX在上海交通大学发布了使用120公斤级液氙探测器所获得的首批数据。实验结果对以往国际上发现的疑似轻质量暗物质信号提出质疑。
季向东说，为揭开“暗物质之谜”，世界各国一直在“赛跑”。暗物质的直接探测实验已经在多个国家的地下实验室中开展了近 20 年，技术也日趋成熟。其中前十年基本上是在利用小型的探测器（几克到几十克）进行一些技术的研发工作。而最近十年，特别是利用液氙的探测技术被发展出来以后，暗物质的直接探测才进入了一个新的阶段。大型的（几十公斤，上百公斤）液氙探测器已经建造运行，吨级的实验也已经在建造中。最近实验结果的种种迹象表明，“我们正处在发现暗物质的边缘”。
世界最前沿领域的中国烙印
2014年8月26日，《Science》杂志以《探索暗物质，中国团队迎头赶上》为题，报道了上海交大牵头的PandaX科研团队暗物质探索实验取得显著成果，该实验识别WIMPs（弱相互作用重离子）的灵敏度已经达到了国际上较为领先的水平。接受采访的国际上其他几个实验合作组肯定PandaX研究团队“在暗物质研究领域取得了非常快速的发展”。
《Science》文章详细介绍了PandaX研究团队、研究项目以及实验的进展情况。文章称，PandaX 研究团队组建仅四年时间，建成了世界上最深的地下实验室，并利用120公斤重的液氙探测器经过17天的数据采集，没有捕捉到WIMPs的信号。相比于国外发展较早的XENON100实验，PandaX的首次探测结果在灵敏度上表现更佳，这意味着中国在暗物质研究领域正在进入角色。季向东教授表示：为了进一步探索发现WIMPs，我们将增高探测设备的圆柱形罐盖并加注更多的液氙。
《Science》杂志同时介绍了国际上其他几个实验室情况，目前暗物质探索领域竞争激烈，PandaX研究团队还将继续努力以取得更大成果。
PandaX（熊猫计划）是“粒子和天体物理氙探测器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文简写，是我国开展的首个百公斤级大型暗物质实验。实验利用在空气中提纯的惰性元素氙（Xe）作为探测媒介来寻找暗物质；由上海交通大学牵头，包括山东大学、中科院上海应用物理研究所、北京大学、雅砻江流域水电开发有限公司、美国马里兰大学和美国密西根大学的40多位研究人员参与。PandaX项目正式启动，使世界上液氙暗物质直接探测领域呈现“三足鼎立”之势。目前最有影响力的实验主要是在意大利Gran Sasso国家地下实验室进行的XENON100暗物质实验、美国南达科他州的大型地下氙项目LUX和中国锦屏山实验室的PandaX项目。
暗物质正处于被发现的边缘，PandaX项目正吸引着越来越多的世界目光。季向东表示，“PandaX项目已进入实质性物理研究运行阶段，我们想要证明世界一流的暗物质研究在中国是可能的。”
来源：四川广播电视台 2014.11.28