中國的暗物質「捕手」

我們都有這樣的一個概念，宇宙是浩瀚的，而且這位大大從來都是神秘的主兒，藏著掖著的秘密不計其數。《科學》雜誌曾公布了125個世界前沿科學問題，第一個就是「宇宙由什麼構成？」

其實目前我們「知道」的大部分物質均由「基本粒子」組成。關於基本粒子的「統一」模型——標準模型，也是迄今為止最成功的粒子物理模型，目前已與16次諾貝爾獎直接相關。

然而！！標準模型也並不是所有。

根據PLANCK （歐洲空間局和NASA共同發射的「普朗克」衛星）2013 年和2015 年的數據結果顯示，當前我們所處的宇宙，普通的重子物質只佔宇宙質量的4.9%，而暗物質則佔了26.8%，剩下的68.3% 為暗能量。

Excuse me？你說什麼？暗物質？

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圖片來源：256h.com

是的，沒錯，宇宙中存在著比普通物質多的多的多的暗物質。它也並不是「暗的」，只是有別於普通物質，不與光發生作用，讓我們無法直接觀測。有科學家說它是宇宙的「幽靈」，有說它是星系中的「霧霾」。不被感知卻的確無時無刻不與我們同在。用一句倉央嘉措的詩來說就是「你見，或者不見我，我就在這裡……」，竄梭於宇宙，瀟洒來去，等待著我們的探究。

質量去哪兒了？

1933年，整個美國由於「大蕭條」到處充滿了不景氣。但這對於加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基來講卻毫無所謂。這時他正醉心於后髮座星系團的研究中。通過觀測收集星系團中成員星系的速度，再利用引力理論，茲威基進行了「力學質量」計算，然而得出的結論卻與基於星系光度數據的「光度質量」（恆星質量越大就越亮）測量結果有著驚人的差異：力學質量竟是發光質量（產生光線的物質）的400倍！

弗里茨·茲威基

簡單來講，如果按照測得的「光度質量」來計算，如此速度下，星系團早就分崩了，那麼，哪裡還會有來自星星的你！！哪裡還有什麼都教授！！呃……不好意思，小編有點跑偏齣戲了……

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咳咳……言歸正傳。

那麼，如此大量的發光質量「下落不明」，到底意味著什麼？這時，茲威基大叔腦洞立馬上線，做出了一個驚世駭俗的推論：宇宙中存在著大量不可見的質量，使得光度方法的測算失效。同時，他也給這個物質起了個格調超高的名字——「Dunkle Materie」（德語，Dark Matter，暗物質）。

「暗物質」理論一出便掀起了一陣波動，但這並不是來自於人們的認可，卻儘是嘲笑和不屑。事實上，早在茲威基前，也有天文學家曾發現星系團引力與可見物質之間的比值異常。但由於缺乏其他獨立觀測佐證，這個顯得太過超前的概念在接下來的30多年裡陷入了沉寂。

你好，暗物質！

時間到20世紀70年代，美國天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）通過十年多的系統觀測和研究，發現實際觀察的星系轉速與原先理論的預測有所出入，從而證明了太空里「其他」物質的存在，為「暗物質」理論提供了有力證據。

薇拉·魯賓

來源：163.com

薇拉·魯賓是一位美國著名女性天文學家，她克服了舊時學界對女性的種種阻礙和不公，最終為「暗物質」研究做出了傑出貢獻。2016年12月25日魯賓與世長辭，讓我們永遠銘記這位偉大的女性。

隨著研究的進一步，關於暗物質多個關鍵天文學佐證也陸續被學界接受，如引力透鏡效應、子彈星雲、宇宙微波背景輻射等等。通過理論的環環構建，逐漸建立了對暗物質的一些輪廓性的認知：

暗物質占宇宙總質量的27%左右；

運動得不快；

壽命長（半衰期跟宇宙一樣長）；

不參與電磁相互作用（不發光）；

不參與強相互作用（無原子結構）；

參與引力作用；

具有弱相互作用。

雖然遲到了幾十年，但新大門終於還是被打開，在「暗物質」確定已經上線的情況下，科學家們便進入了下個打怪關卡——探尋什麼是暗物質。

你的好友暗物質已經上線~

眾里尋他

紐約大學的物理教授尼爾·魏納（Neal Weiner）曾說：「誰都不知道哪個實驗最終能解決它（暗物質）。」我們對暗物質可以說知之甚少，而對方又極具「高冷」屬性。（前面提到了，基本不和任何「人」一起「玩兒」……）到底怎麼才可能抓住它呢？

暗物質作為天文學和宇宙學上假設的物質形態，其中非相對論性粒子-冷暗物質是暗物質的主要成分。典型的冷暗物質有質量為GeV-TeV量級的弱作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle, WIMP）和質量為μeV-keV量級的軸子（Axion）。WIMP作為冷暗物質的主要候選者，其粒子物理學的探測手段共三種：

直接探測：通過收集WIMP與探測器靶核碰撞產生的光信號、電信號和熱信號研究WIMP性質。要求相應的探測器具有極低的能量閾、較大的靶質量以及低本底，因此直接測量的探測器多位於地下深處，並採用低放射性的屏蔽體和探測器材料。

間接探測：通過WIMP湮滅後產生的高能粒子—中微子、正電子、反質子、γ射線等標準模型粒子間接證明WIMP的存在，主要途徑是暗物質探測衛星。

加速器實驗：通過兩束高能粒子對撞「創造」WIMP。目前世界上只有歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）。

三種探測手段

目前，世界各國已有許多「暗物質」探測實驗設立，穿雲遁地無不用其極。而對於世界第二大經濟體的中國來說，參與並大力推進這個對人類來說有深遠意義的研究，也是必須肩負的國際責任和使命。隨著國力和科研實力的日益增強，近年除了在國際各個合作項目的活躍以外，中國主導的暗物質探測實驗也逐漸嶄露頭角。

目前世界涉及暗物質研究的直接探測實驗

中國的暗物質「捕手」

無論是「上天」的間接探測，還是「入地」的直接探測，中國在最近的幾年裡都取得了顯著進展。

一方面，2015年國內首顆暗物質探測衛星「悟空」順利升空運行；另一方面，2010年國內首個極深的地下實驗室「中國錦屏地下實驗室」（CJPL）投入了使用。

世界各深地實驗室對比

錦屏地下實驗室示意

前文也提到，直接探測的實驗探測器往往需「藏」到地底下，憑藉天然岩層最大可能地屏蔽地面存在的大量本底輻射。CJLP由清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司共同建成，深2400米，是目前世界最深的、也是被認為最「潔凈的」地下實驗室。我國兩個大型暗物質直接探測實驗都在CJPL開展——清華大學主導的CDEX（高純鍺）和上海交通大學主導的PandaX（液氙）。

其中，PandaX的二期試驗結果在2016年9月19日以封面論文以及主編推薦（Editor』s Suggestion）的形式，正式發表在了《物理學評論快報》中。而能成為該世界頂級物理學刊主編推薦的，在發表論文中只佔16%左右。

之所以備受矚目，是因為該實驗公布的 500公斤級液氙探測器低本底運行100天的暗物質探測結果，是世界上正式發表的靈敏度最高、曝光量最大的液氙暗物質探測結果，對暗物質粒子的性質作出了新的最強限制。

PandaX在國際暗物質探測中是一個「年輕」的項目，於2009年才正式啟動。經過一系列前期縝密的理論和實驗準備後，探測裝置於2012年正式進入錦屏地下實驗室開始運行。

2012年8月16日，PandaX第一批實驗器材進入錦屏地下實驗室

項目採用的是先進的兩相型液氙探測器，以惰性元素氙（Xe）作為探測媒介。暗物質粒子與氙原子碰撞時得到的一定能量，會在液氙中反衝產生光信號和電離電子。電子在強電場作用下向氣態氙漂移，衝進氣體產生二次發光信號。

PandaX探測器一覽

光是可被探測的。在液氙探測器的頂部和底部，都密排了一層三英寸大小的光電倍增管（PMT）。這些特別的PMT由為世界多個液氙暗物質探測提供了光電探測技術的濱松公司（HAMAMATSU）研製。

除了低本底以外，針對液氙溫度極低的特點（低至-110℃），用於暗物質探測的PMT還需具低低溫暗計數的特性，低溫後脈衝也必須限制在閾值之內，並且要適應整個降溫過程，不能對探測性能有所影響。

PandaX-II中的光電探測部分

（密排的濱松3英寸PMT）

最後，通過光電探測器件對光信號的探測，探測器就可判別暗物質和氙原子碰撞的空間位置。利用這兩個信號的相對大小便能區分來自暗物質或其他放射性物質所產生的事件。

而目前除了PMT以外，濱松公司也針對了R&D預研方案，於2016年新開發了第四代VUV-MPPC（硅光電倍增管）。在VUV波段有極高的靈敏度，可針對暗物質低溫探測應用，在未來的實驗中亦極具潛力。

濱松第四代VUV-MPPC（硅光電倍增管）

中國暗物質探測實驗在相對短的時間內就完成了多個零的突破，並取得了世界領先的成果，一方面有賴於國家綜合實力的增強，以及對科研事業的支持和投入；另一方面，則憑藉了中國暗物質科研工作者們的卓越奮鬥。實際上，國際暗物質研究存在著激烈的競爭，如何在壓力中爭取一分一秒的時間，在冰冷的實驗設備和分析中求得更高的精確數據，成果背後的艱辛可想而知。

目前，世界還沒有明確的暗物質信號被確立，人類仍在各種未知盡頭的道路上繼續追尋著它的身影，相信中國科研工作者們也將繼續在暗物質探測領域取得更輝煌的成就。

參考：

發現宇宙黑暗面——弗里茨·茲威基和他的「暗物質」，劉夏，《新知客》2009年03期

中國暗物質探測「熊貓計劃」首發實驗數據，挑戰宇宙起源理論，觀察者2014年8月

寫在最後

濱松已持續為世界多個液氙暗物質實驗提供了光電探測技術，此次濱松中國作為連接濱松光電技術與PandaX項目的橋樑，也深感責任和榮耀。在這場未完的探索中，我們也將不懈努力，希冀為我國暗物質探測科研事業做出更多的貢獻。

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