前幾天我去參加了四川大學(xué)組織的暗物質(zhì)理論和實(shí)驗(yàn)研討會(huì)。會(huì)后，我也跟隨部分與會(huì)代表一起前往錦屏山參觀了錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)室。 

自從上世紀(jì)30年度Zwicky首次提出暗物質(zhì)的概念以來(lái)，其存在的證據(jù)越來(lái)越多。但是，這些證據(jù)都來(lái)自暗物質(zhì)的引力效應(yīng)。由于引力是“萬(wàn)有”的，因此僅僅從引力效應(yīng)還不能判斷暗物質(zhì)究竟是什么。為了回答暗物質(zhì)究竟是什么的問(wèn)題，還需要從其它類型的相互作用中尋找暗物質(zhì)的蹤跡。另一方面，關(guān)于暗物質(zhì)究竟是什么，有很多理論上的猜測(cè)和模型，而每一種的暗物質(zhì)性質(zhì)不同，尋找的方法也不同。不過(guò)，就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP).這種粒子的特點(diǎn)是雖然沒(méi)有電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，但是參予弱相互作用，同時(shí)質(zhì)量也比較大。WIMP之所以成為暗物質(zhì)的熱門候選者主要有三個(gè)原因：首先是WIMP具有“冷暗物質(zhì)”的各種性質(zhì)，而基于冷暗物質(zhì)的宇宙學(xué)模型與觀測(cè)符合得比較好。其次，在粒子物理理論中比較容易構(gòu)造出符合WIMP特點(diǎn)的粒子。例如，流行的超對(duì)稱理論就預(yù)言可能存在最輕超對(duì)稱粒子，這種粒子如果不帶電就很容易符合WIMP的特性。最后，WIMP具有弱相互作用截面，而按照統(tǒng)計(jì)物理的粒子退耦理論計(jì)算，WIMP的數(shù)量也剛好和觀測(cè)值同一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，目前大部分暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)是針對(duì)WIMP設(shè)計(jì)的。

怎樣找到WIMP呢？其中的一種方法就是“直接”探測(cè)實(shí)驗(yàn)。在這種實(shí)驗(yàn)中，人們用一些高度靈敏的、屏蔽的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。一般的粒子無(wú)法穿過(guò)探測(cè)器外面的屏蔽，而暗物質(zhì)粒子只有弱相互作用，因此可以穿過(guò)屏蔽。在多數(shù)情況下，當(dāng)然它也同樣穿過(guò)探測(cè)器，但是既然暗物質(zhì)粒子有弱相互作用，它就有一定的幾率與探測(cè)器內(nèi)的原子碰撞。由于WIMP粒子相當(dāng)重，又以每秒幾百公里的高速度在銀河系的暗物質(zhì)暈重運(yùn)動(dòng)，因此在這一碰撞中，可以傳遞相當(dāng)多的能量（幾十keV)給被碰的原子，導(dǎo)致原子被電離、激發(fā)或產(chǎn)生晶格振動(dòng)，對(duì)于高靈敏度的探測(cè)器，這是可以被探測(cè)的。碰撞事例的多少取決于暗物質(zhì)的密度、質(zhì)量、碰撞截面和探測(cè)器工作介質(zhì)的質(zhì)量，噪聲主要來(lái)自宇宙線和自然放射性產(chǎn)生的中子。因此，為了盡可能減少干擾噪聲，必須把探測(cè)器深埋地下，這就是所謂地下實(shí)驗(yàn)室。地下實(shí)驗(yàn)室越深，對(duì)宇宙線的屏蔽效果就越好，也就越容易實(shí)現(xiàn)高靈敏度。 這一方法自上世紀(jì)80年代提出后，經(jīng)過(guò)近30年的研究，現(xiàn)在的探測(cè)器靈敏程度已經(jīng)接近理論模型預(yù)言的參數(shù)范圍。意大利的DAMA實(shí)驗(yàn)組自十余年前開始就聲稱探測(cè)到暗物質(zhì)產(chǎn)生的年調(diào)制信號(hào)，不過(guò)這一結(jié)果沒(méi)有得到其它實(shí)驗(yàn)組的證實(shí)。去年底，CDMS實(shí)驗(yàn)組也報(bào)告了兩個(gè)疑似暗物質(zhì)事例（參見“暗物質(zhì)探測(cè)的新結(jié)果”一文，http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=279596）。也許暗物質(zhì)的直接探測(cè)離我們已經(jīng)不遠(yuǎn)了——當(dāng)然，也存在著另外的可能，就是暗物質(zhì)并非WIMP，那么這種類型的實(shí)驗(yàn)就探測(cè)不到。 

我國(guó)以前沒(méi)有自己的地下暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，但參與了兩個(gè)國(guó)外的地下暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)：高能所參與了意大利的DAMA 實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用意大利的Gran Sasso 隧道。清華大學(xué)參與了韓國(guó)的KIMS實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用的是韓國(guó)襄陽(yáng)(Yangyang)水電隧道。 

目前，國(guó)際上的地下實(shí)驗(yàn)室有十幾個(gè)，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，另一種是利用隧道。相比礦井而言，隧道在使用上要方便得多，可以直接開車進(jìn)入。但是，隧道的深度受到山高的限制，對(duì)于比較短的隧道而言，還要考慮從山側(cè)穿入的宇宙線。因此，找到合適的隧道并不是那么容易的事。幸運(yùn)的是，在我國(guó)四川西昌地區(qū)的錦屏山，有條件極好的隧道。為了利用雅礱江的水能資源，二灘水電公司正在錦屏山附近修建水電站。雅礱江在這里有一個(gè)U字形的大轉(zhuǎn)彎，長(zhǎng)達(dá)二百多公里，然而直線距離不過(guò)二十多公里。填充U字形中心的是海拔四千多米、相對(duì)高差兩千五百多米的錦屏山。為了方便水電工程建設(shè)，二灘公司在這里鉆了兩條長(zhǎng)17.5公里的交通隧道，供施工車輛通行，其中一條已經(jīng)投入使用。這條隧道上方覆蓋著2.5公里厚的巖層，是世界第二深的隧道，而建成了地下實(shí)驗(yàn)室后，可以成為當(dāng)前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，為暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供非常好的條件。 

錦屏山還有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，在于地下實(shí)驗(yàn)室所在處不是花崗巖，而是變質(zhì)巖，其自然放射性相當(dāng)?shù)?，?shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其天然放射性比洞外的巖石都低。

地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)除了利用巖層屏蔽高能量的宇宙線外，本身還需要相當(dāng)復(fù)雜的人工屏蔽以消除自然界放射性的影響。以錦屏山的清華實(shí)驗(yàn)(CDEX)為例，墻壁有涂層以盡量阻斷巖體釋放氡氣，探測(cè)器屏蔽最外層用1米厚的聚乙烯層慢化巖石中同位素放射性產(chǎn)生的中子，中間用20厘米的鉛層屏蔽伽瑪光子，里層用15厘米的無(wú)氧銅屏蔽。在這些被動(dòng)屏蔽層的里面，還有主動(dòng)屏蔽層，探測(cè)穿越了上述幾層屏蔽以及屏蔽層自身內(nèi)微量同位素放射產(chǎn)生的粒子，從而否決(veto)由這些輻射產(chǎn)生的事件。所有這些屏蔽層以及探測(cè)裝置自身的材料選擇都非常講究，以盡可能降低屏蔽材料和探測(cè)器中自身含有的微量放射性同位素。高純鍺探測(cè)器本身所用的鍺純度達(dá)13個(gè)9，以降低其自身放射性。

盡管我自己并不從事WIMP直接探測(cè)的實(shí)驗(yàn)工作（我在暗物質(zhì)方面的研究主要是間接探測(cè)和天體物理限制，也就是利用暗物質(zhì)粒子湮滅、衰變和相互作用在天體物理過(guò)程中的各種效應(yīng)去探測(cè)它），但我一直認(rèn)為，這種實(shí)驗(yàn)投資較少而科學(xué)意義重大，是非常適合中國(guó)當(dāng)前情況的實(shí)驗(yàn)，因此在歷次有關(guān)的討論中，對(duì)于在國(guó)內(nèi)建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室，開展WIMP直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，我都持積極支持的態(tài)度。當(dāng)然，要開展這項(xiàng)研究，也必須有相關(guān)的人才、技術(shù)，還要找到合適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，所謂天時(shí)、地利、人和，各方面的要素都是需要的，而現(xiàn)實(shí)中這些因素往往并不同時(shí)具備。問(wèn)題是我們是積極去尋找、創(chuàng)造這方面的條件，還是消極等待？ 

清華大學(xué)從事暗物質(zhì)探測(cè)研究的同事們積極行動(dòng)，花費(fèi)了許多時(shí)間與二灘公司聯(lián)系、溝通，獲得了他們的理解和支持。在二灘公司的支持下，目前已經(jīng)建成了一塊實(shí)驗(yàn)空間，其中里面的部分用來(lái)安裝清華大學(xué)的高純鍺探測(cè)器，而稍稍在外面的一段空間則用來(lái)安裝上海交通大學(xué)的液氙探測(cè)器。我國(guó)本土的暗物質(zhì)直接探測(cè)，終于邁出了第一步。這件事情在兩年前進(jìn)行論證時(shí)好象還遙不可及，甚至不清楚到底能否搞起來(lái)，然而現(xiàn)在地下實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始了屏蔽層的安裝工作，進(jìn)展之迅速，令人目不暇接。 

這次我懷著非常激動(dòng)的心情，隨川大和清華的同事們一起，去錦屏山參觀了建設(shè)中的地下實(shí)驗(yàn)室。置身期間，覺(jué)得實(shí)驗(yàn)空間相當(dāng)充足，與在圖紙上看的感覺(jué)頗有不同。另一方面，西昌特別是錦屏山風(fēng)景秀美、交通方便，生活條件也相當(dāng)不錯(cuò)。錦屏山水電站規(guī)模宏大、氣象萬(wàn)千，建成后提供將大量的清潔能源，也讓人過(guò)目難忘。 

祝愿從事暗物質(zhì)直接探測(cè)的同事們?cè)缛杖〉贸晒Γ?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; word-wrap: break-word; "> 

雅礱江和錦屏山

 

地下實(shí)驗(yàn)室

 

錦屏山風(fēng)景

 

電站水壩模型。壩高305米，建成后將成為世界最高的水壩