在中国西南地区锦屏山地下约 2400 米处，世界最深最大的地下实验室刚刚启用。这个巨大的空间是科学家的家园，他们正在寻找暗物质——据推测，暗物质是构成宇宙质量 80% 以上的假想物质。
中国锦屏地下实验室（CJPL）于 2010 年启用，经过三年的建设，其二期工程 CJPL-II 于 2023 年 12 月投入运营。CJPL-II 拥有 33 万立方米的庞大容量，现已超过意大利拉奎拉的格兰萨索国家实验室（LNGS），后者此前在深度和体积方面均保持纪录。
额外的空间使得粒子和天体物理氙实验（PandaX）和中国暗物质实验（CDEX）等实验得以升级。“他们在十年内所做的事情令人惊叹，”伊利诺伊州芝加哥大学的物理学家 Juan Collar 说。
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暗物质仍然是一个科学谜团。物理学家们计算出，可见物质产生的引力太弱，无法阻止快速移动的星系分崩离析。因此，他们推测暗物质是维系宇宙的无形胶水。尽管暗物质应该无处不在，但事实证明很难直接观测到它，因为人们认为它几乎不与普通物质相互作用，也不发射、反射或吸收光。探测到暗物质的说法一直受到质疑，有人认为实验可能受到了其他信号的干扰。
台湾南港中央研究院的物理学家、CDEX 项目组成员黄资 King Wong 表示，科学界的荣耀等待着那些率先探测到暗物质的人，而这项持续不断的探索是粒子物理学领域最大的努力之一。
山下的光芒
博洛尼亚国家核物理研究所的物理学家 Marco Selvi 表示，寻找暗物质的最佳地点是在地下，因为岩石层可以屏蔽探测器免受背景“噪声”的影响，例如宇宙射线——从太空倾泻到地球上的高能粒子——这些射线会淹没潜在的暗物质信号。他说，试图在地球表面探测暗物质“就像试图在一个所有人都大喊大叫的体育场里听到孩子微小的声音”。
在地下，CJPL-II 暴露在宇宙射线下的比例仅为地球表面的 0.000001%，这使其成为世界上屏蔽效果最好的地下实验室之一。它的墙壁还涂有一层 10 厘米厚的保护层，由橡胶、混凝土和其他材料混合制成，可阻挡水和放射性氡气，这些物质可能会从周围的岩石中渗入并干扰暗物质探测实验。
该设施的研究团队已经在利用额外的空间。在 CJPL-II 建设期间，PandaX 团队将其探测器的容量从 120 公斤液态氙升级到 4 吨。当潜在的暗物质粒子与氙原子碰撞时，其能量应转化为光闪，这些光闪可被光传感器检测到。
该探测器正在赶上 LNGS 的 XENONnT 实验（8.6 吨）和位于南达科他州利德市 Sanford 地下研究设施的 LUX-ZEPLIN 实验（7 吨）。
来自中国上海交通大学的物理学家、团队成员周宁表示，PandaX-4T 探测器位于一个 900 立方米的水箱内，以进一步屏蔽杂散粒子。“凭借更高的灵敏度，我们可以使用探测器并测试不同类型的相互作用，”他说。周说，该团队的最终目标是建造一个容量为 40-50 吨的氙探测器，这将与欧洲的 DARWIN 实验相媲美，DARWIN 实验的目标是 40 吨。
与此同时，CDEX 团队还部署了一个锗探测器，该探测器针对的是质量比氙实验寻找的暗物质粒子质量更低的潜在暗物质粒子，北京清华大学的物理学家、CDEX 团队成员岳骞说。CDEX 探测器的容量已从 1 公斤升级到 10 公斤锗，并计划建造一个包含一吨的探测器阵列。如果暗物质粒子撞击到该探测器，则相互作用应产生电荷，这些电荷将转换为电信号。岳希望邀请更多的国际合作者加入 CDEX——该项目已经包括来自印度和土耳其的研究人员。
Selvi 说，尽管暗物质的搜索在全球范围内具有竞争性，但在世界各地拥有多个地下实验室进行类似的实验可以让研究人员比较他们的结果。2022 年，PandaX 团队通过使用类似的方法，证实了 LNGS 的 XENON 实验的结果——该实验发现 XENON 在 2020 年探测到的一个令人惊讶的信号来自背景噪声，而不是暗物质。
但是，Collar 认为，暗物质研究将受益于新的方法和想法，而不是通过更大、更灵敏的同类探测器来击败竞争对手。他说：“已经有足够的重复了。”
周说，在未来十年里，CJPL-II 团队将继续提高其探测器的灵敏度。他还希望全球暗物质研究界能够分享 CJPL-II 数据集并将其与他们自己的数据集相结合。“我们还有很多事情要做，”他说。
本文经许可转载，最初于 2024 年 1 月 22 日发布。