發佈時間：2014/12/19
你能想像麼，宇宙中有96%的東西我們從來都沒有見過！它們是什麼？它們在哪裡？怎麼才能發現它們的踪跡？
11月28日，上海交大物理與天文系季向東教授在成都七中以一場生動的科學報告，帶領中學生們進行了一次宇宙幽靈粒子的探尋之旅。報告還通過成都七中網校向四川、重慶、雲南、貴州、甘肅、西藏五省一市的160多所中學的上萬名師生進行了直播。
精彩魔術演繹科學奧秘
將一支嬌豔欲滴的紅玫瑰放入一杯不斷湧出白霧的神秘物質裡，會有什麼奇妙的事情發生？幾分鐘過後，季向東教授將玫瑰花取出，用力扔向地面，玫瑰花瞬間變成晶瑩的碎片散落一地。在現場一片驚嘆聲中，季向東娓娓道來：“這杯冒著白霧物質就是液氮，剛剛大家領教了它對玫瑰花的超強急凍能力。這個小小的實驗是想告訴大家，經過液化處理的惰性氣體有著超低的溫度，反過來講，只要給惰性氣體一個超低的溫度，它就可以被液化，而我們正在進行的暗物質的實驗就要用到這種液化後的惰性元素，只不過用的不是液氮而是液氙和液氖”。
季向東介紹，暗物質、暗能量是基礎物理的前沿問題。 2011年獲得諾貝爾物理獎的三位物理學家，他們的貢獻是發現了暗能量。隨著現代科學技術迅猛發展，特別是近二、三十年來，人類對宇宙有了比較深刻的認識。以前，我們以為地球、太陽、星星等這些物質的研究已經就是宇宙的全部了。其實並非如此，主宰著宇宙命運的，並不是我們平常所熟知的原子、分子之類的物質，而是暗能量和暗物質。根據現在的了解，暗能量約佔宇宙總能量的73%，暗物質約佔宇宙總能量的23%，兩者之和就占到宇宙總能量的96%。暗能量和暗物質它們的本性是什麼？儘管我們知道它們在宇宙中佔有多少比例和成份，但研究起來還是很困難。在物理與天文系的粒子物理宇宙學研究所，有一批人在研究暗能量和暗物質這些看來像是虛無飄渺的東西，我們稱自己為“96%團隊”（研究宇宙普通物質之外那96%能量的團隊）。其實，在我們身邊，暗物質無處不在，我們研究的第一個目的就是為了能夠將其探測出來，但目前為止，地球上最靈敏的探測器都無法探測到它的存在。
季向東將暗物質形像地比喻成宇宙中的“幽靈”，他說，“說到探測器，我要解釋一下，因為暗物質跟普通物質幾乎不相互作用，所以由普通物質而建成的探測器很難感知它的存在。暗物質有點像“幽靈”，到處都有。但我們要把這個“幽靈”給“抓住”的話，需要造一個非常靈敏的探測器。現在世界上有很多團隊都在尋找暗物質，用的探測手段各有不同。我們是利用比較成熟和易於做大的液氙技術，將氙氣製冷至零下100°C，使其變成像水一樣的透明液體。當暗物質跟氙原子發生碰撞時，氙原子就會發光，同時也會產生自由電子。我們的工作就是要想辦法把這些微弱的光和幾個自由電子探測出來，而且確認這些信號不是由其它原因引起的。”
2500米下的執著探究
2010年中國首個極深地下實驗室“中國錦屏地下實驗室”在四川雅礱江錦屏水電站投入使用，實驗室垂直岩石覆蓋約2500米，厚度居世界第一。這標誌著中國已具備了世界一流的潔淨、低輻射的物理學重大基礎前沿研究的自主地下實驗平台。為了躲避宇宙射線的干擾，PandaX實驗就在這裡進行。季向東清楚地記得第一次到錦屏山的日期：2009年的3月17日。那時，錦屏山隧道剛貫通半年多，洞壁一直在冒水。穿著長雨靴，淌著一尺多深的水，季向東進了隧道。他說：“我們就是要在這樣極端的環境下，爭取把暗物質探測實驗的精度做到極致。”每天，上海交大暗物質實驗組的常駐老師和學生，從隧道東出口的營地宿舍出發，坐車進入隧道的實驗室。中午回宿舍吃飯後再進洞，直到晚上。季向東說，原來課題組曾計劃中午不出洞，把飯帶進實驗室吃，這就可以省下路上奔波的時間。但試了之後發現，在這樣與世隔絕的洞裡從早待到晚，心理上有些扛不住。
就是在這樣艱苦的環境中，經過不懈地努力，今年8月24日，這個以中國科學家為主導的大型暗物質探測實驗組PandaX在上海交通大學發布了使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數據。實驗結果對以往國際上發現的疑似輕質量暗物質信號提出質疑。
世界最前沿領域的中國烙印
季向東說，為揭開“暗物質之謎”，世界各國一直在“賽跑”。暗物質的直接探測實驗已經在多個國家的地下實驗室中開展了近20年，技術也日趨成熟。其中前十年基本上是在利用小型的探測器（幾克到幾十克）進行一些技術的研發工作。而最近十年，特別是利用液氙的探測技術被發展出來以後，暗物質的直接探測才進入了一個新的階段。大型的（幾十公斤，上百公斤）液氙探測器已經建造運行，噸級的實驗也已經在建造中。最近實驗結果的種種跡象表明，“我們正處在發現暗物質的邊緣”。季向東表示，“PandaX項目已進入實質性物理研究運行階段，我們想要證明世界一流的暗物質研究在中國是可能的。”
季向東說，選擇來成都作講座，是因為這個世界頂級的實驗在四川進行，他很想把它介紹給四川的同學，這是什麼樣的實驗？它是怎麼做的？現在都有哪些進展？ “很多人覺得它神秘，我想用科普的方式講出來，其實它很好玩。”季向東還有一個想法，通過講座吸引感興趣的同學，拉近科學前沿與同學之間的距離，讓同學們加入到這項世界頂級的實驗中。季向東說，只要同學們有興趣，可以利用寒暑假到實驗室實習，親身感受實驗的魅力。
來源：上海交通大學·新聞學術網
