在中國西南地區錦屏山地下約 2400 米處，世界最深最大的地下實驗室剛剛啟用。這個巨大的空間是科學家的家園，他們正在尋找暗物質——據推測，暗物質是構成宇宙質量 80% 以上的假想物質。
中國錦屏地下實驗室（CJPL）於 2010 年啟用，經過三年的建設，其二期工程 CJPL-II 於 2023 年 12 月投入運營。CJPL-II 擁有 33 萬立方米的龐大容量，現已超過義大利拉奎拉的格蘭薩索國家實驗室（LNGS），後者此前在深度和體積方面均保持紀錄。
額外的空間使得粒子和天體物理氙實驗（PandaX）和中國暗物質實驗（CDEX）等實驗得以升級。“他們在十年內所做的事情令人驚歎，”伊利諾伊州芝加哥大學的物理學家 Juan Collar 說。
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暗物質仍然是一個科學謎團。物理學家們計算出，可見物質產生的引力太弱，無法阻止快速移動的星系分崩離析。因此，他們推測暗物質是維繫宇宙的無形膠水。儘管暗物質應該無處不在，但事實證明很難直接觀測到它，因為人們認為它幾乎不與普通物質相互作用，也不發射、反射或吸收光。探測到暗物質的說法一直受到質疑，有人認為實驗可能受到了其他訊號的干擾。
臺灣南港中央研究院的物理學家、CDEX 專案組成員黃資 King Wong 表示，科學界的榮耀等待著那些率先探測到暗物質的人，而這項持續不斷的探索是粒子物理學領域最大的努力之一。
山下的光芒
博洛尼亞國家核物理研究所的物理學家 Marco Selvi 表示，尋找暗物質的最佳地點是在地下，因為岩石層可以遮蔽探測器免受背景“噪聲”的影響，例如宇宙射線——從太空傾瀉到地球上的高能粒子——這些射線會淹沒潛在的暗物質訊號。他說，試圖在地球表面探測暗物質“就像試圖在一個所有人都大喊大叫的體育場裡聽到孩子微小的聲音”。
在地下，CJPL-II 暴露在宇宙射線下的比例僅為地球表面的 0.000001%，這使其成為世界上遮蔽效果最好的地下實驗室之一。它的牆壁還塗有一層 10 釐米厚的保護層，由橡膠、混凝土和其他材料混合製成，可阻擋水和放射性氡氣，這些物質可能會從周圍的岩石中滲入並干擾暗物質探測實驗。
該設施的研究團隊已經在利用額外的空間。在 CJPL-II 建設期間，PandaX 團隊將其探測器的容量從 120 公斤液態氙升級到 4 噸。當潛在的暗物質粒子與氙原子碰撞時，其能量應轉化為光閃，這些光閃可被光感測器檢測到。
該探測器正在趕上 LNGS 的 XENONnT 實驗（8.6 噸）和位於南達科他州利德市 Sanford 地下研究設施的 LUX-ZEPLIN 實驗（7 噸）。
來自中國上海交通大學的物理學家、團隊成員周寧表示，PandaX-4T 探測器位於一個 900 立方米的水箱內，以進一步遮蔽雜散粒子。“憑藉更高的靈敏度，我們可以使用探測器並測試不同型別的相互作用，”他說。周說，該團隊的最終目標是建造一個容量為 40-50 噸的氙探測器，這將與歐洲的 DARWIN 實驗相媲美，DARWIN 實驗的目標是 40 噸。
與此同時，CDEX 團隊還部署了一個鍺探測器，該探測器針對的是質量比氙實驗尋找的暗物質粒子質量更低的潛在暗物質粒子，北京清華大學的物理學家、CDEX 團隊成員嶽騫說。CDEX 探測器的容量已從 1 公斤升級到 10 公斤鍺，並計劃建造一個包含一噸的探測器陣列。如果暗物質粒子撞擊到該探測器，則相互作用應產生電荷，這些電荷將轉換為電訊號。嶽希望邀請更多的國際合作者加入 CDEX——該專案已經包括來自印度和土耳其的研究人員。
Selvi 說，儘管暗物質的搜尋在全球範圍內具有競爭性，但在世界各地擁有多個地下實驗室進行類似的實驗可以讓研究人員比較他們的結果。2022 年，PandaX 團隊透過使用類似的方法，證實了 LNGS 的 XENON 實驗的結果——該實驗發現 XENON 在 2020 年探測到的一個令人驚訝的訊號來自背景噪聲，而不是暗物質。
但是，Collar 認為，暗物質研究將受益於新的方法和想法，而不是透過更大、更靈敏的同類探測器來擊敗競爭對手。他說：“已經有足夠的重複了。”
周說，在未來十年裡，CJPL-II 團隊將繼續提高其探測器的靈敏度。他還希望全球暗物質研究界能夠分享 CJPL-II 資料集並將其與他們自己的資料集相結合。“我們還有很多事情要做，”他說。
本文經許可轉載，最初於 2024 年 1 月 22 日釋出。