劉曉辰 李嬋（發佈時間：2011/1/22）
“一些理論物理學家猜測，也許暗物質極其輕巧，很可能還具有不被人類感知的新作用。在這種新的作用下，暗物質可能會形成‘原子’。這樣的話，也許會有一個由暗物質所構成的‘聊齋世界’。”
在四川的錦屏山底，坐落著一個長40米、寬６米、高6米的特殊空間。它是中國第一個極深的地下實驗室。研究人員將在這裡攻克宇宙研究中最具挑戰性的前沿課題：尋找一種看不見、摸不著的神秘粒子——暗物質。
暗物質伴隨著宇宙大爆炸產生於大約137億年前。它不會發出任何光，也不會產生電磁輻射。一直以來，它在宇宙的各個角落遊蕩。在我們身邊，大約一個茶杯大小的空間裡就裝著一個暗物質粒子。它的重量也許與一個金原子相當。
不過，人們對這種無處不在的神秘體根本覺察不到。科學家們也一直想要捕捉它，迄今卻一次也沒能成功。
既然暗物質無處不在，為何人們就是發現不了它呢？
“主要原因在於暗物質與普通物質的相互作用極其微弱。”中國科學院理論物理研究所研究員楊金民介紹說，迄今，科學家們已經認識到的、在自然界存在的作用有四種——人們熟知的引力作用、電磁作用以及強作用、弱作用。
電磁作用需要交換光子，由於暗物質不會發光，因此它不參與電磁作用。強作用發生在帶“色”的夸克之間：夸克是組成中子、質子等粒子的更為基本的單位；“色”則是科學家們為了標記夸克的某種性質而引入的概念。暗物質不帶“色”，因而也不參與強作用。
目前，科學家們已經知道，暗物質參與了引力的作用。至於它是否參與了“中子衰變成質子，並釋放出高速電子”的那種弱作用，研究人員還一無所知。
“一些理論物理學家猜測，也許暗物質極其輕巧，很可能還具有不被人類所感知的新作用。在這種新的作用下，暗物質可能會形成‘原子’。這樣的話，也許會有一個由暗物質所構成的‘聊齋世界’。”楊金民說。
好奇心驅使著科學家們或上天、或入地，嘗試用各種方法找尋暗物質。
尋找暗物質為什麼還要入地？因為地面的背景太嘈雜了。楊金民介紹說，暗物質粒子與地球上的普通物質碰撞，會產生極其微小的反沖能量。測量到這種反沖能量，需要極安靜的地方。深深的洞穴正是理想之地。
中國錦屏地下實驗室就是這樣的一個地方。
早在建設二灘水電站一開始，錦屏山底就修建起了一條18公里的汽車隧道。它的上面垂直覆蓋著2400多米厚的山體岩石，而且隧道周圍岩石的放射性含量極低。
如果在這條隧道的側面造一座實驗室，那麼，它將成為目前世界上岩石覆蓋最深的地下實驗室。到達這裡的高能宇宙射線，也會減少為地面水平的億分之一左右，從而減少了對探測工作的干擾。
上海交通大學物理系主任季向東教授告訴記者，在世界各國，建立地下實驗室一般會選擇兩類地方：一類是廢棄的礦井；另一類就是在過山隧道的旁邊挖一個實驗室。後者不僅運輸儀器方便，還可以省去大量的建設費用，也比較安全。
此前，國內的研究人員一直在尋找好的地下實驗室，但是沒有結果。
2009年5月，清華大學和二灘公司簽訂了協議，開始了建造實驗室的合作。包括南開大學、台灣中微子實驗組、首爾大學等在內的一些海內外研究機構，也一起參與到了“中國暗物質探測實驗”中來。
今年12月12日，中國錦屏地下實驗室正式啟用了。記者從清華大學了解到，清華的相關研究人員已經進入到實驗室中，進行數據採集。
事實上，美國、英國、日本等發達國家都已經相繼建起了地下實驗室。在剛過去的11月，日本的暗物質探測實驗“XMASS”開始試運行。
這個設施位於日本岐阜縣的神岡礦山之下1000米深處。它的主要部分就包括了一個能裝1噸液氙和安裝了光電倍增管的檢測器。當暗物質進入“XMASS”，與氙原子核發生碰撞時，就會損失部分能量。液氙會因此發出強弱不等的光，從而被光電倍增管捕捉到。
明年將進入錦屏地下實驗室的上海交通大學的研究人員，也將使用液氙探測器，找尋暗物質。和“XMASS”實驗不同的是，中國的液氙暗物質實驗能同時測量光和電，因此對暗物質更靈敏。季向東說：這是目前世界上普遍使用的幾種探測方法之一；還有一種比較流行的是採用低溫半導體，與捕捉光不同，這是通過測電流，尋找暗物質。目前，清華大學的研究人員就是利用低溫半導體來探測。
為什麼大家如此熱衷於尋找暗物質？因為它的存在實在太神秘，而且作用太重要了。它主導著宇宙結構的形成。
“《紐約時報》曾經把暗物質比作宇宙中的強力膠。”楊金民介紹說，暗物質是宇宙中的主要組成，它在宇宙中所佔的分量達到80%以上，遠遠超過了我們現在所認識到的部分。它提供了強大的引力，將宇宙中的一個個星體組織在一起，從而形成了宇宙的結構。
在太陽的中心，就分佈著密度很高的暗物質。當它們在自我湮滅的過程中，會產生光子、中微子、正電子等可見粒子。不過，這些粒子大多會被太陽中的物質吸收掉；只有中微子可以從太陽的“魔爪”中逃逸出來，攜帶著高能量，以光速飛到地球。當它們碰撞到地球上的物質之後，就會產生出帶電粒子而發出光芒。
為了揭開暗物質之謎，美國科學家就在潔淨的南極冰層之中放入光電管，去窺視這些熒光。
科學家們還試圖用高能的對撞機，重新產生一些暗物質。歐洲核子研究中心（CERN）的大型質子對撞機LHC就正在運行。它以極高的能量打碎質子，從而創造出宇宙創生之初的粒子大家庭。而這個大家庭的一個重要成員，就是暗物質。
一旦暗物質粒子產生出來，它們就會悄無聲息地逃離龐大笨重的探測器。它們的“私奔”也會因為帶走能量而終究露出“馬腳”。如果暗物質重生了，它就會被仔細研究。
“所有尋找暗物質的實驗，都冒著一無所獲的極大風險。”楊金民說，“意大利的研究人員說，他們發現了暗物質存在的間接證據；美國科學家也聲稱，他們發現了暗物質與普通物質碰撞的兩個事例，但最終都沒讓人信服。”
在中國，對暗物質的研究正越發活躍。楊金民介紹說，除了深入地下進行實驗外，研究人員也計劃將一些儀器放到衛星上，去探測因暗物質湮滅或衰變而產生的電子。著名的華人物理學家、諾貝爾獎獲得者丁肇中先生的阿爾法磁譜儀就準備明年放到空間站上，來探測暗物質產生的正電子。一項與之類似的探測實驗，也正在西藏的羊八井展開。
同樣忙碌著的還有大量的理論科學家。大家正在構建暗物質理論模型，以解釋已有的試驗結果，預測暗物質被實驗發現的前景。
來源：《北京科技報》
