“探秘”中国暗物质直接探测与极深地下实验室
光明图片/视觉中国
CDEX吨级实验计划装置示意图。光明图片
CDEX吨级实验计划装置示意图。光明图片
暗物质被喻为现代物理学天空上的一朵乌云，是近年来研究的热点和难点。中国物理学家们在暗物质探测实验和理论上有颇多建树，“悟空”暗物质粒子探测卫星、中国锦屏地下实验室开展的暗物质粒子探测等，都为解开“暗物质之谜”贡献了中国力量。不仅如此，在地下实验室建设和运行的过程中，科学家们认识到极深地下实验室在粒子物理与核物理、天体物理和宇宙学、岩石力学、生命科学等领域研究中的重要作用。现在，“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”正式入选国家“十三五”重大科技基础设施十个优先启动项目，预计将于2018年底正式开工。本期，我们邀请这一项目的主要参与者、清华大学工程物理系岳骞教授和程建平教授撰文介绍中国暗物质直接探测与极深地下实验室。
日月交替，星辰变幻，激发了人类对自然宇宙的无限好奇与向往。几千年来，人类对宇宙认知越来越深，粒子物理标准模型诠释了宇宙的微观世界，大爆炸理论阐述了宇宙的宏观演化。但是，认知无止境，暗物质就是现代物理学天空上的一朵乌云。
暗物质是人类在不断探索宇宙奥秘、认识世界过程中提出的一个重大前沿问题。科学家在过去近百年里对于暗物质的研究从最初的猜测发展到当前多方向多领域多技术途径全面探测和找寻，展现出“百花齐放、百家争鸣”的景象。可以预期，暗物质之谜将在相当长时间内作为物理学最前沿科学问题，吸引越来越多科学家和大众的关注。
暗物质与超出粒子物理标准模型的新物理
到底什么是暗物质呢？暗物质，通俗地讲就是那些既不发射光，也不吸收和反射光的物质。由于暗物质还是属于物质范畴，因此和普通物质一样，具有引力效应。暗物质问题是由瑞士科学家兹维基（Fritz Zwicky）在1933年解释天文观测的一些新现象时提出的。到目前为止，暗物质存在的多个科学证据都是由天文观测给出。科学家根据天文观测数据和研究结果得出暗物质质量约占宇宙物质总质量的百分之八十到百分之九十，而且分布在宇宙的各个角落。那么，如此巨大的宇宙物质质量，必定在物质起源和宇宙演化过程中具有重要的地位。研究和理解暗物质的本质将会影响和改变人类对于宇宙的认识。
暗物质问题提出以来，科学家们发展了各种各样的理论模型，给出了许多不同可能的暗物质候选者。当前暗物质主要候选者是运动速度远小于光速的冷暗物质。然而，在过去一个世纪逐步发展到近乎完美的粒子物理标准模型中却找不到可以作为冷暗物质的候选粒子，使得物理学家们纷纷转向了超出粒子物理标准模型的新物理。这就预示着暗物质和新物理有很大关联，因而暗物质研究变得更为重要。在很多新物理中都预言了标准模型之外可以作为冷暗物质候选者的粒子，其中弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）和轴子（Axion）等一些可能的暗物质候选者受到了广泛的关注，成为当前暗物质探测研究的主要对象。
暗物质探测的三种方式
暗物质理论的正确性需要实验检验。根据当前主要的暗物质理论模型和候选粒子，暗物质实验探测方法主要分成直接探测、间接探测和加速器实验三大类。
暗物质直接探测实验通过探测暗物质与普通物质相互碰撞后靶核的反冲能量、方向、数量及其随时间变化等参数和特性来研究暗物质粒子的基本性质。对于10千兆子伏特以下轻暗物质的直接探测，我国清华大学领导的CDEX合作组所用的低阈值点极高纯锗技术和美国CDMSLite合作组所用的声子放大高纯锗技术是两种代表性的技术路线。对于10千兆子伏特以上的重暗物质探测，基于气液二相氙/氩探测器技术拥有优势。国际上基于液氙的实验主要有美国LZ、欧美联合XENON和我国PandaX实验，基于液氩的实验有欧洲的DarkSide实验。
暗物质间接探测实验通过探测暗物质粒子自身衰变或者相互碰撞后湮灭的产物来研究暗物质的基本性质。这些产物一般包括伽马射线、正负子、正反质子、中微子等。间接探测实验大多是发射卫星到太空中或者把实验设备安装到空间站上进行。例如中国的“悟空”暗物质探测卫星、欧洲AMS-02卫星实验等等。此外，还有高空气球、地面望远镜、冰下探测器等形式。例如，美国领导的ICECube实验组在南极冰盖下建造了体积约一立方公里的巨型冰探测器来间接探测暗物质。
加速器暗物质实验通过探测常规粒子在高能对撞下的产物来研究暗物质。普通物质粒子以较高的能量对撞时可能会产生暗物质粒子。目前国际上的大型加速器实验都不是专门为探测暗物质设计的，暗物质粒子极有可能在穿过所有的探测器时不留下任何痕迹，只是带走部分能量，从而在探测器系统中造成“能量丢失”。根据探测器系统中“丢失能量”的测量可以推断是否有暗物质产生，进而研究暗物质的动量、质量等性质。加速器暗物质实验要求加速器能够将标准模型粒子加速到较高的能量，目前国际上的科学家主要基于欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider）开展研究，但还没有给出暗物质的可能信号。
这些暗物质探测实验中，直接探测实验具有重要地位。随着实验技术和方法的不断提升，暗物质直接探测实验从上世纪九十年代开始进入快速发展期。我国科学家也积极参与到国际暗物质直接探测实验中。例如，中国科学院高能物理研究所的一些科学家参加了意大利DAMA实验组，利用碘化钠探测器直接探测暗物质粒子。
暗物质直接探测的“中国力量”
