＂熊猫＂是如何捕捉暗物质的?

在四川凉山，有一处位于地下2500米深的所在，在这个名为“中国锦屏极深地下暗物质实验室”里，有一个40米长、6.5米高、8.5米宽的实验大厅，这是目前世界上最深、也是条件最好的地下实验室，也是“熊猫计划”的实施地。

美国俄亥俄州哥伦布市，几天前的“2017年度国际高能粒子天体物理大会”上传出消息，中国“熊猫计划”项目组发布对暗物质粒子性质测量的最强限制，中国科学家再次领跑暗物质直接探测的灵敏度，率先取得重大探测成果。这是“熊猫计划”继两年前发布580公斤级探测仪的首个探测结果后，第二次发布国际最灵敏暗物质探测结果。

暗物质是何物，宇宙中有暗物质，星系里有暗物质，我们的身边也有暗物质，可是我们眼睛却看不到它，它悄无声息，且难留痕迹；它不发射任何波段的电磁波，也不与任何电磁波发生相互作用。由于与普通物质没有直接电磁相互作用，所以暗物质不发光，类似于“幽灵”，无法用通常的办法看到。尽管如此，但暗物质却不容任何人小觑，因为迄今的研究和分析表明，暗物质占宇宙物质总质量约80%以上。

揭开暗物质微观粒子本质是21世纪物理与天文学最重要的科学目标之一，国际上探测暗物质粒子的科学研究进行得如火如荼。为了探测暗物质，科学家想了很多方法， 而中国的“熊猫计划”的方法是把氙原子作为靶子进行撞击，暗物质粒子如果碰撞到氙原子，这种碰撞会转化为氙原子的反冲能，发出光电信号，从而被探测器捕捉。

在“熊猫计划”项目负责人、上海交通大学鸿文讲席教授季向东博士看来，科学家探测暗物质粒子的方法类似于“守株待兔”，暗物质粒子仿佛成群结队跑来的兔子，氙原子好比森林中一棵棵树。难免有一两只兔子会撞死在某棵树下，成为科学家的战利品。而问题的关键在于，大森林里不只有兔子，还有雄狮猛虎其他动物，谁撞上来的动静都比兔子大。所以要找一片没有或少有其他生物出没的“森林”，中国锦屏地下实验室就是这片理想的“森林”。

在四川锦屏山内，上方有2400米山体覆盖，就像天然屏障阻挡了宇宙射线，据测量，实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一。而地下实验室所在处不是花岗岩，而是大理岩，其自然放射性相当低，实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低，这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。

就是在这种条件下，在过去的一年里，中国科学家对580公斤液氙探测器的长时间运行，使其对暗物质和普通物质相互作用的探测灵敏度提高了4倍多，但“熊猫计划”所采用的580公斤液氙探测器并没有探测到一例暗物质粒子碰撞事件，由此中国科学家得出了碰撞几率的上限。这一发现再次刷新了对暗物质粒子性质限制的世界纪录。

在科研上，发现一条路和堵死一条路同样重要， “没看到”同样有意义。

作为基础物理最为重要的谜团之一，暗物质的研究吸引了全球众多物理学家为之努力，国际上的数个合作小组，都在为“捉”住暗物质而努力，为了抢占先机可谓争分夺秒，所有实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信号，暗物质探测的国际竞争非常激烈。

在国际暗物质探测竞赛中，已经结束运行的美国LUX合作组在2017年1月正式发表250公斤级探测仪过去4年运行的最终数据，超过了“熊猫计划”在2016年7月发表的世界最灵敏探测结果。而位于意大利的XENON1T探测器则已成为目前世界上运行中最大的暗物质探测仪，探测区域的液氙量达2吨。这一实验合作组也于今年5月公布了首个结果，其灵敏度又再次超越了美国LUX。

“熊猫计划”二期探测仪的体量虽然不到欧洲XENON1T的三分之一，但凭借探测仪优质独特的性能，经过近半年的持续稳定运行，合作组得到了超越XENON1T的最新探测结果，实现了第二次领先。

中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长陈和生说，“熊猫计划”二期实验的最新结果表明，中国深地暗物质探测实验已经处于国际领先水平；中国科学院院士、高能物理实验学家赵政国则认为，它表明中国的科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领域，在中国本土也可以作出国际领先的成就。

谈及下一步工作，“熊猫计划”项目科学家、负责实验数据分析的上海交通大学教授刘江来说，一是提升探测器体量，二是尽可能降低噪声。他透露，目前正在紧锣密鼓筹备下一代探测器，将正在使用的580公斤级液氙暗物质探测器升级到4吨。新探测器的各个组件已在建造，接下来是总装、联调和测试。中国科学家希望能在2018年终止580公斤级液氙探测器的运行，全力开展升级版探测器的实验，并争取在2019年获得新探测器的第一批数据。本报记者 蔡文清