暗物质是什么（暗物质粒子是什么）

什么是暗物质(什么是暗物质粒子)

【原标题】锦屏地下实验室:在2400米岩层下等待暗物质“造访”

就是这里。

中国四川凉山彝族自治州西昌市锦屏水电厂，锦屏山交通隧道中段。

在中国金平的地下实验室里，垂直岩石覆盖了2400米的厚度，研究人员正试图倾听暗物质粒子的低语。

研究人员已经发现，如果只有已知的物质，宇宙根本不应该是这样的。一定还有别的原因在起作用。

理论上，暗物质并不少见。据估计，暗物质约占宇宙物质质量的85%。但是看不见摸不着，几乎不与任何物体互动。这是存在于模型中的理论推导。

"谁能先发现暗物质，谁就能在科学上领先."清华大学教授、国家重大科技基础设施副总指挥、总工程师李说。

这是一个工程奇迹，也是暗物质探测的绝佳地点。

中国锦屏地下实验室的由来其实有点戏剧性。

电视上，只是滚动字幕新闻:2008年8月8日，两条17.5公里的锦屏山交通隧道相连。

当时清华大学工程物理系团队正在全国范围内寻找深大实验室的合适地址。

我们一直生活在宇宙射线的“背景音”中。不同的粒子，发出不同的声音，奏出宏伟的交响乐。但是暗物质太特殊了。它又冷又害羞，几乎不与任何东西互动，也几乎不发出声音。人们需要一个足够安静的环境，屏蔽所有已知的噪音，重建足够敏锐的耳朵，这样当他们面对面时，就可以听到暗物质粒子的低语声。

因此，一切都必须推到极限。

屏蔽宇宙射线的最好方法是把实验室建在地下。

金山隧道入口。摄影:张加伦

发现和研究暗物质将是人类认识的一次巨大飞跃，这可能会引发一场新的物理学革命。

对暗物质的搜寻始于2003年。

无独有偶，也是在2003年，来自全国各地的近1.8万水电开发商来到雅砻江锦屏人迹罕至的河湾，挖开战场，为锦屏一、二级水电站建设做准备。

金沙江支流雅砻江，奔流至木里、盐源、冕宁三县交界处。因为被锦屏山阻挡，突然掉头转向东北，形成了长达150公里的锦屏河湾。锦屏一、二级电站分别位于这个大河湾的东西两端。连接两座电站的锦屏山交通隧道，成为这个庞大水利工程的两条大动脉。

锦屏一级水电站大坝。摄影:张加伦

清华大学的老师在新闻上看到了这个奇迹。他们敏锐地意识到暗物质实验室的地址是可用的！

时任清华大学副校长的程建平教授率队到四川寻找负责锦屏水电站项目的二滩公司(现雅砻江流域水电开发有限公司，以下简称雅砻江公司)，多次交谈。这种与高校、企业的跨界合作真的实现了。

实验室一期建在锦屏山隧道中段。空不算大，只有4000立方米，但填补了国内没有深度实验室的空的空白。

根据测量，锦屏地下实验室的宇宙线通量可以降低到地面水平的百万分之一到百万分之一。它是世界上宇宙射线通量最低、岩石覆盖最深的地下实验室。

与所有细节竞争，将一切推向极限。

2010年，中国金平地下实验室正式投入运行。

中国锦屏地下实验室一期入口。照片由受访者提供

清华大学牵头盘古项目(CDEX)高纯锗暗物质实验，上海交通大学牵头熊猫项目(PandaX)液态氙暗物质实验项目。两大项目是直接探测暗物质，即测量暗物质粒子与普通物质直接弹性碰撞产生的反冲核的数量和能量。

随着协作组对辐射本底的要求越来越严格，高纯无氧铜无法直接使用。清华大学工程物理系副教授马浩说，只要材料在地面上，就会受到宇宙射线的撞击，从而产生新的“噪音”。因此，研究小组将把高纯无氧铜送到地下实验室，对铜进行电解和重组，并去除那些宇宙同位素。

探测暗物质的核心设备是高纯锗探测器。

传统高纯锗探测器及其光谱仪广泛应用于基础研究、核监测、核应急、国土安全、放射性管理等领域。但是要探测暗物质，需要锗的纯度更高。

成千上万的黄金被称为“999”黄金，这意味着含金量不低于999。研究小组需要的锗纯度为12到13个9。

目前国内还没有能力制备这样高质量、高纯度的锗晶体。

然而，在长达十多年的寻找暗物质的过程中，研究团队攻克了探测器制造技术。现在，团队已经能够制造商用级高纯锗探测器，成果已经转化。

CDEX合作集团的高纯锗探测器就在实验室白色聚乙烯膨胀门后面。

它受到很多保护:1米厚的聚乙烯材料，用来减速和吸收中子；20厘米厚的铅层，用于屏蔽外部伽马射线；20厘米厚的含硼聚乙烯可以吸收热中子；20厘米厚的高纯无氧铜用于屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线。

2013年，CDEX合作组公布了中国首次直接探测暗物质的实验结果。2014年给出了世界上最灵敏的用点电极检测高纯锗暗物质的实验结果。值得一提的是，这个结果，使用同样的探测技术，绝对排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质区域。PandaX的实验结果入选2016年《科技导报》十大科学进展和2017年美国物理学会亮点。

没有人知道暗物质粒子的真实存在。所有暗物质探测团队实际上都在画“排斥线”。所谓的排除线，就是说我们已经找过这个区域了。不，我们可以去别的地方看看。

划出的排斥线越多，暗物质空可能的藏身之处就越小，搜索的针对性也就越强。

第二阶段的扩张正朝着成为全球深地科学研究中心的方向发展。

暗物质实验的成果推动了我国相关基础前沿领域的快速发展，吸引了更多的科研需求。原来的暗物质实验要升级，有核天体物理实验、深部岩石力学实验、无中微子双β衰变实验.....中国科学家渴望这样一个极其深入地下的实验。

4000立方米，似乎越来越捉襟见肘。

2014年，清华大学与亚龙江公司继续合作，挖掘锦屏地下实验室二期。

要做这么大的项目，光靠一个科学家团队是不可能的。他们必须充分整合资源，找到可靠的合作伙伴，共同努力。

幸运的是，锦屏地下实验室已被列入国家重大科技基础设施“十三五”规划。它的正式名称是非常深的地下和极低辐射背景的前沿物理实验设施。

从一期实验室出发，往西端走约500米，就到了二期实验室。它由四个子隧道组成，总体积为30万立方米，分为八个不同的主实验大厅和其他公共区域。

中国金平地下实验室主任程建平曾向科技日报记者打了个比方:如果一期实验室是别墅，那么二期实验室就是社区。在社区里，应该容纳更多的实验团队和实验项目。

但是新的问题随之而来。比如通风。

二期实验空从一期的4000立方米增加到30万立方米。经过理论计算和讨论，施工队决定安装3根直径800 mm的聚乙烯通风管，将西端雅砻江污水坝平台的新鲜空气通过排水孔输送到实验大厅，全长9公里。

但是锦屏水电站发电以来，这条排水隧道实际上处于半废弃状态。没有照明和通讯设备，没有泥浆和涌水，没有废弃的风机、龙门架、钢筋和混凝土残留物，还有许多深坑、围堰、涌水点和大坝。2016年初，清华大学施工队教师薛涛带领两名工程师，穿着一体式防水服、对讲机、安全绳、救生衣、火把和铁锹，进入排水隧道进行勘察。3个小时，他们在泥泞和流水中穿行，一点一点摸清了排水孔内的情况，并写下了排水孔勘察报告，为通风管道的施工奠定了基础。

现在，不同的研究团队，各自的谜题有待解答，正等待进入中国锦屏的扩建地下实验室。

5月下旬，《科技日报》记者来到地下实验室二期B馆。在尚未全面建成的实验室里，由上海交通大学牵头的PandaX合作组已经紧锣密鼓地开始了工作。

探测暗物质是一个具有国际竞争力的项目，其他国家也在努力。这使得研究人员不得不每秒钟进行计数。

由PandaX实验升级的4吨液体氙探测器正在紧张的调试和运行中，等待暗物质的“造访”。“我们加班，但我们也踏实。在确保安全的前提下，争取早出成果。”PandaX合作组一位研究员向科技日报记者透露。

“我们正不断接近真相。”上海交通大学物理与天文学院助理研究员纣王说。无论是合作还是竞争，人类都在努力拓展认知边界。但在他们心中，仍然有为国争光的想法。“我们想在人类科学史上给中国人留下一笔遗产。”这位年轻的女研究员说。

CDEX的实验也将升级为百公斤甚至吨级的高纯锗阵列探测器，将探测灵敏度进一步提高两个数量级。在集团的实验大厅里，近八层楼高的液氮罐已经矗立在基坑里。在罐中，将放置1000个高纯度锗探测器。

“我们特别有信心，10年后，中国会有一个世界闻名的地下实验室。”李兴奋地说道。他设想将锦屏地下实验室打造成全球深度科研中心。

届时，来自世界各地的科学家将乘坐公交车从凉山西昌前往南方。沿途隧道与隧道相连，山夹山。大约两个小时后，当金瓶山隧道的入口被展示出来时，他们会下意识地觉得:这就是了。

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