科學(xué)家在過(guò)去近百年里對(duì)于暗物質(zhì)的研究從最初的猜測(cè)發(fā)展到當(dāng)前多方向多領(lǐng)域多技術(shù)途徑全面探測(cè)和找尋，展現(xiàn)出“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”的景象?？梢灶A(yù)期，暗物質(zhì)之謎將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)作為物理學(xué)最前沿科學(xué)問(wèn)題，吸引越來(lái)越多科學(xué)家和大眾的關(guān)注。

暗物質(zhì)與超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理

暗物質(zhì)之父 茲威基

到底什么是暗物質(zhì)呢？暗物質(zhì)，通俗地講就是那些既不發(fā)射光，也不吸收和反射光的物質(zhì)。由于暗物質(zhì)還是屬于物質(zhì)范疇，因此和普通物質(zhì)一樣，具有引力效應(yīng)。暗物質(zhì)問(wèn)題是由瑞士科學(xué)家茲維基（Fritz Zwicky）在1933年解釋天文觀測(cè)的一些新現(xiàn)象時(shí)提出的。到目前為止，暗物質(zhì)存在的多個(gè)科學(xué)證據(jù)都是由天文觀測(cè)給出。科學(xué)家根據(jù)天文觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果得出暗物質(zhì)質(zhì)量約占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的百分之八十到百分之九十，而且分布在宇宙的各個(gè)角落。那么，如此巨大的宇宙物質(zhì)質(zhì)量，必定在物質(zhì)起源和宇宙演化過(guò)程中具有重要的地位。研究和理解暗物質(zhì)的本質(zhì)將會(huì)影響和改變?nèi)祟?lèi)對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)。

暗物質(zhì)問(wèn)題提出以來(lái)，科學(xué)家們發(fā)展了各種各樣的理論模型，給出了許多不同可能的暗物質(zhì)候選者。當(dāng)前暗物質(zhì)主要候選者是運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的冷暗物質(zhì)。然而，在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)逐步發(fā)展到近乎完美的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中卻找不到可以作為冷暗物質(zhì)的候選粒子，使得物理學(xué)家們紛紛轉(zhuǎn)向了超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。這就預(yù)示著暗物質(zhì)和新物理有很大關(guān)聯(lián)，因而暗物質(zhì)研究變得更為重要。在很多新物理中都預(yù)言了標(biāo)準(zhǔn)模型之外可以作為冷暗物質(zhì)候選者的粒子，其中弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）和軸子（Axion）等一些可能的暗物質(zhì)候選者受到了廣泛的關(guān)注，成為當(dāng)前暗物質(zhì)探測(cè)研究的主要對(duì)象。

暗物質(zhì)探測(cè)的三種方式

暗物質(zhì)理論的正確性需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)前主要的暗物質(zhì)理論模型和候選粒子，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)方法主要分成直接探測(cè)、間接探測(cè)和加速器實(shí)驗(yàn)三大類(lèi)。

暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)探測(cè)暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互碰撞后靶核的反沖能量、方向、數(shù)量及其隨時(shí)間變化等參數(shù)和特性來(lái)研究暗物質(zhì)粒子的基本性質(zhì)。對(duì)于10千兆電子伏特以下輕暗物質(zhì)的直接探測(cè)，我國(guó)清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX合作組所用的低閾值點(diǎn)電極高純鍺技術(shù)和美國(guó)CDMSLite合作組所用的聲子放大高純鍺技術(shù)是兩種代表性的技術(shù)路線。對(duì)于10千兆電子伏特以上的重暗物質(zhì)探測(cè)，基于氣液二相氙/氬探測(cè)器技術(shù)擁有優(yōu)勢(shì)。國(guó)際上基于液氙的實(shí)驗(yàn)主要有美國(guó)LZ、歐美聯(lián)合XENON和我國(guó)PandaX實(shí)驗(yàn)，基于液氬的實(shí)驗(yàn)有歐洲的DarkSide實(shí)驗(yàn)。

暗物質(zhì)間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)探測(cè)暗物質(zhì)粒子自身衰變或者相互碰撞后湮滅的產(chǎn)物來(lái)研究暗物質(zhì)的基本性質(zhì)。這些產(chǎn)物一般包括伽馬射線、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子等。間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)大多是發(fā)射衛(wèi)星到太空中或者把實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝到空間站上進(jìn)行。例如中國(guó)的“悟空”暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星、歐洲AMS-02衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)等等。此外，還有高空氣球、地面望遠(yuǎn)鏡、冰下探測(cè)器等形式。例如，美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的ICECube實(shí)驗(yàn)組在南極冰蓋下建造了體積約一立方公里的巨型冰探測(cè)器來(lái)間接探測(cè)暗物質(zhì)。

加速器暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)通過(guò)探測(cè)常規(guī)粒子在高能對(duì)撞下的產(chǎn)物來(lái)研究暗物質(zhì)。普通物質(zhì)粒子以較高的能量對(duì)撞時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。目前國(guó)際上的大型加速器實(shí)驗(yàn)都不是專(zhuān)門(mén)為探測(cè)暗物質(zhì)設(shè)計(jì)的，暗物質(zhì)粒子極有可能在穿過(guò)所有的探測(cè)器時(shí)不留下任何痕跡，只是帶走部分能量，從而在探測(cè)器系統(tǒng)中造成“能量丟失”。根據(jù)探測(cè)器系統(tǒng)中“丟失能量”的測(cè)量可以推斷是否有暗物質(zhì)產(chǎn)生，進(jìn)而研究暗物質(zhì)的動(dòng)量、質(zhì)量等性質(zhì)。加速器暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)要求加速器能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)模型粒子加速到較高的能量，目前國(guó)際上的科學(xué)家主要基于歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC（Large Hadron Collider）開(kāi)展研究，但還沒(méi)有給出暗物質(zhì)的可能信號(hào)。

這些暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)具有重要地位。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的不斷提升，暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展期。我國(guó)科學(xué)家也積極參與到國(guó)際暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中。例如，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的一些科學(xué)家參加了意大利DAMA實(shí)驗(yàn)組，利用碘化鈉探測(cè)器直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子。

暗物質(zhì)直接探測(cè)的“中國(guó)力量”

2003年，清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組率先啟動(dòng)了我國(guó)自主暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，采用高純鍺探測(cè)器直接探測(cè)10千兆電子伏特以下的輕暗物質(zhì)粒子。由于我國(guó)當(dāng)時(shí)沒(méi)有深地實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)組利用韓國(guó)襄陽(yáng)地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了前期暗物質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵性能測(cè)試和研究，證實(shí)了低能量閾值高純鍺探測(cè)器在輕暗物質(zhì)直接探測(cè)方面具有很強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

2009年，清華大學(xué)聯(lián)合雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，利用雅礱江公司建設(shè)錦屏水電站工程中開(kāi)挖的17.5公里長(zhǎng)的錦屏隧道，建設(shè)了總?cè)莘e約為4000立方米的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（China JinPing Underground Laboratory，CJPL），其垂直巖石覆蓋最薄處達(dá)到了2400米，成為了世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室，為我國(guó)科學(xué)家迅速開(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)提供了國(guó)際一流的極少宇宙線粒子“干擾”的潔凈地下實(shí)驗(yàn)空間。2010年，隨著中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和運(yùn)行，以及國(guó)家科技部973項(xiàng)目“暗物質(zhì)的理論研究和實(shí)驗(yàn)預(yù)研”對(duì)于暗物質(zhì)理論和實(shí)驗(yàn)研究的立項(xiàng)支持，我國(guó)暗物質(zhì)研究進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道。

2009年，清華大學(xué)牽頭組建了新的CDEX合作組正式開(kāi)展基于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。2010年底CDEX合作組率先入駐中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，利用極低能量閾值高純鍺探測(cè)器開(kāi)展10千兆電子伏特以下的輕暗物質(zhì)粒子探測(cè)研究。2013年，CDEX合作組發(fā)表了我國(guó)第一個(gè)完全自主的暗物質(zhì)直接探測(cè)物理結(jié)果，實(shí)驗(yàn)靈敏度達(dá)到國(guó)際第一陣營(yíng)水平。2014年，CDEX合作組發(fā)表的新結(jié)果，不僅給出點(diǎn)電極高純鍺直接探測(cè)暗物質(zhì)國(guó)際最靈敏的結(jié)果，還采用相同的探測(cè)技術(shù)，確定性地排除了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組多年來(lái)宣稱(chēng)的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)（CoGeNT論文2011年發(fā)表至今，引用數(shù)量已經(jīng)超過(guò)900次）。2018年6月，CDEX合作組發(fā)表新的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了當(dāng)時(shí)暗物質(zhì)輕質(zhì)量區(qū)間4-5千兆電子伏特能量區(qū)間國(guó)際最好實(shí)驗(yàn)結(jié)果。清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX合作組不僅取得了國(guó)際領(lǐng)先的物理成果，而且還在高純鍺探測(cè)器這一先進(jìn)半導(dǎo)體輻射探測(cè)技術(shù)方面取得了自主突破，成功研制出世界上第一款基于金屬氧化物半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管前放讀出電子學(xué)的高純鍺探測(cè)器，打破國(guó)際壟斷，完成原始技術(shù)創(chuàng)新。

2012年上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX實(shí)驗(yàn)也入駐中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，利用液態(tài)氙探測(cè)器開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，主要探測(cè)10千兆電子伏特以上的重暗物質(zhì)粒子。2014年P(guān)andaX實(shí)驗(yàn)組發(fā)表了該實(shí)驗(yàn)組第一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2017年P(guān)andaX實(shí)驗(yàn)組給出了當(dāng)時(shí)100千兆電子伏特能量以上國(guó)際最好實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

國(guó)之重器——“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”進(jìn)行時(shí)

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室 示意圖

在暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究和地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，我們深刻體會(huì)到，地下實(shí)驗(yàn)室，特別是極深地下實(shí)驗(yàn)室，能為重大基礎(chǔ)科學(xué)研究提供綜合性的研究平臺(tái)，對(duì)國(guó)家的科學(xué)進(jìn)步具有十分重要的意義。目前，美國(guó)、日本和歐洲都在持續(xù)推進(jìn)深地實(shí)驗(yàn)室新建和擴(kuò)建工作，積極為科學(xué)家提供國(guó)際一流的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，期望本國(guó)科學(xué)家能夠在激烈的前沿物理問(wèn)題研究中取得引領(lǐng)地位。

我國(guó)自主暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)取得的國(guó)際矚目的研究成果進(jìn)一步推動(dòng)和加速了我國(guó)基于深地實(shí)驗(yàn)室的粒子物理前沿問(wèn)題的研究工作。近些年中國(guó)科學(xué)家提出了多個(gè)重大前沿問(wèn)題研究計(jì)劃，除了暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃外，新的研究方向包括了無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)、核天體物理實(shí)驗(yàn)、太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)、深地巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、深地生物實(shí)驗(yàn)等等。特別是暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)和無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)，是粒子物理核物理領(lǐng)域的稀有事例探測(cè)實(shí)驗(yàn)，屬于最前沿的科學(xué)課題。每一個(gè)研究課題又有多個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)，又相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)方案。這些實(shí)驗(yàn)計(jì)劃需要更大規(guī)模的地下實(shí)驗(yàn)空間和更優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)條件來(lái)支撐，才有可能取得具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，甚至國(guó)際領(lǐng)先水平和突破性的研究成果。因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家都希望中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室能夠進(jìn)一步擴(kuò)建，提供更大更優(yōu)越的地下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2014年，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司在現(xiàn)有中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室地下空間的附近，利用錦屏隧道施工留下的輔助隧道，開(kāi)挖和建設(shè)了總?cè)莘e約為30萬(wàn)立方米的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期地下實(shí)驗(yàn)空間，并于2016年完成錦屏地下實(shí)驗(yàn)室全部地下空間建設(shè)工作。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，憑借其2400米深的巖石覆蓋厚度、30萬(wàn)立方米的可用地下空間、每年每平方米約60個(gè)宇宙線粒子的通量，以及可以直接開(kāi)車(chē)進(jìn)入的平行隧道進(jìn)出方式等特點(diǎn)，成為國(guó)際上巖石覆蓋最深、可用空間最大，宇宙線干擾最小、綜合條件世界一流的地下實(shí)驗(yàn)室。

2016年底，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司聯(lián)合提出基于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期大型地下空間建設(shè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”，得到國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的廣泛支持，被列入國(guó)家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)指南。2017年“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”正式入選國(guó)家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施十個(gè)優(yōu)先啟動(dòng)項(xiàng)目，成為一項(xiàng)新的“國(guó)之重器”。2018年4月“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”項(xiàng)目可行性研究報(bào)告通過(guò)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)和中咨公司組織的專(zhuān)家委員會(huì)評(píng)審，目前正在開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)2018年底正式開(kāi)工。

從CDEX合作組2013年發(fā)表我國(guó)第一個(gè)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)成果，到2018年上半年，我國(guó)兩個(gè)自主暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)都取得了相應(yīng)能區(qū)國(guó)際最好的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度。可以看到，我國(guó)暗物質(zhì)研究不僅在較短時(shí)間取得了國(guó)際先進(jìn)水平的暗物質(zhì)研究成果，而且還推動(dòng)了我國(guó)的深地實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。目前，國(guó)際上其他實(shí)驗(yàn)組又發(fā)表了新的更好的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)出膠著狀態(tài)，并且將持續(xù)一段時(shí)間。我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)處于國(guó)際“并跑”的地位，需要繼續(xù)保持目前的狀態(tài)，力爭(zhēng)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得引領(lǐng)地位。清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX高純鍺暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)、上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX液氙暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)以及中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)導(dǎo)的液氬暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)都獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持，正在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期大型實(shí)驗(yàn)空間中建設(shè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為下一階段開(kāi)展更大規(guī)模的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)積極工作。

從我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展軌跡，以及基于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)歷程來(lái)看，國(guó)家對(duì)重大基礎(chǔ)前沿研究和重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)穩(wěn)定支持，對(duì)于科學(xué)家在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域取得國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成我國(guó)擁有的世界水平的基礎(chǔ)前沿研究高地意義重大。同時(shí)在基礎(chǔ)前沿研究項(xiàng)目的牽引下，科學(xué)家也會(huì)不斷開(kāi)展尖端技術(shù)研究，帶動(dòng)我國(guó)核心技術(shù)的突破和跨越，進(jìn)而通過(guò)長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)的積累，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)使命。 （岳騫 程建平）


來(lái)源：人民網(wǎng)