宇宙中暗物质的追寻——来自地下深处：刘江来 | 科学讲坛

学术 2024-12-07 10:03 北京

宇宙中95%是暗物质和暗能量，其中27%是看不见摸不着的暗物质。捕捉到暗物质粒子将带来人类认识宇宙的重大飞跃，可能导致新的物理学革命。上海交通大学李政道研究所特聘教授、副所长和PandaX暗物质实验首席科学家、科学探索奖获奖人刘江来 分享了团队在中国的极深地下实验室——“锦屏地下实验室”2400米山体深处的探测成果：PandaX-4T实验，给出了世界领先水平的暗物质-核子相互作用上限，并发现太阳中微子和氙核弹性散射迹象，给出了未来激动人心的实验升级计划，期望不久的将来某一天，暗物质探测出现“转折点”。

以下是刘教授演讲视频回顾：

以下是刘教授演讲全文：

各位成都科幻馆的观众和参加WE大会的科学爱好者们，我叫刘江来，我是一位从事暗物质研究的科技工作者。

2017年起，每年在这个时候，恰好是国际暗物质日，有些来自世界各国的科学家会自发组织一些活动，向公众解读我们研究的、确实知道存在的、但是却不知道它们是什么样的暗物质的故事。今天恰好在成都，在四川省的省会，我就向大家分享一个在离这里仅350公里直线距离的大凉山的锦屏地下实验室，我们如何追寻暗物质的故事。

像这个背景上显示的一样，暗物质在空间中无处不在。现在这个屏幕上的蓝颜色的暗物质粒子，无时无刻不在穿过成都科幻馆，每秒钟穿过人体大致有1亿个这样的粒子。可我们浑然不觉，不仅仅我们浑然不觉，我们的地球、太阳系都浑然不觉。但这样的粒子，聚集大到银河系或者全宇宙的尺度以后，我们就会发现，它们主导了宇宙和星系的形成和演化。

就像太阳系的八大行星，靠引力相互作用粘合在一起一样，我们宇宙中有很多像银河系一样、类似于宇宙的细胞的星系。每个星系中又有上千亿颗恒星，它们也是一样，靠着引力的相互作用聚合在一起。

早期暗物质的想法提出，是基于一个惊人的观测结果。当你观察这些星系中间的恒星绕着中心旋转的速度，按照引力理论推断，把所有的恒星质量加在一起提供的引力，你会预期越往星系外侧，旋转大幅度降低。可事实上观测的却不是这样！科学家发现到了星系的边缘，旋转速度还是非常高速，大概比今天超音速飞机的速度还要快1000倍！怎样能维持这样大质量的星系那么高速度的旋转呢？因此科学家提出，必须在星系中塞入一些我们看不见、摸不着的全新“暗物质”才能解释。反言之，没有这些暗物质提供的引力相互作用，整个星系就会分崩离析。

为了大家理解这件事情，我们有两位工作人员做了一个演示。左边这位工作人员手里拿了一根绳子，在那里旋转一个重物，这个绳子能承受的拉力比较大。而右边这个也是在同样的动作，但用的是一根纤细一些的绳子，承受的拉力不够大。在旋转的过程中，一开始两者都在高速旋转，但是到一定时刻你会发现，拉力比较小的这根绳子就断裂了，这样重物就被抛出去了。假设这是一个没有暗物质的星系，恒星是没有办法维持在这个引力势阱中的。

如果我们站在上帝视角来看一个星系，今天科学家认为，整个星系是笼罩在一个近乎于像雾霾这样的暗物质晕里的。就像这张图显示的，星系在高速旋转，暗物质晕并不转，跟星系之间保持着很强的相互运动。

当然这只是一个观测效应。大量的天文学、宇宙学观测数据也都支持刚才所说的假说。另一个证据跟基普·索恩教授刚才讲的弯曲的时空很接近。爱因斯坦告诉我们，在引力的作用下光是不走直线传播的，而是会在引力场中弯曲。假设有一个遥远的星系我们看它，但是我们和星系之间有一个很大质量的星系，这个前景的星系的引力势能就会使光线弯折产生引力透镜的现象。因此，地球上观察到的遥远的星系的图像就会产生畸变。根据这个畸变，就可以推导出来，到底前景的星系的引力势是怎样的，而暗物质的分布也决定了前景星系引力势的分布。这也是支持暗物质的证据之一。

众多的这些证据加在一起，今天我们确信，我们只知道宇宙中非常小的一部分。我们所有的已知物质只占宇宙组分的5%，tip of the iceberg（冰山一角），更多的是我们不知道到底是什么的这种看不见的物质，暗物质。还有69%是暗能量，它是描述宇宙正在加速膨胀的事实，通常认为暗能量和暗物质之间可能并没有关系。今天我们的重点还是放在研究暗物质的本质到底是什么。

我们从普通物质讲起，无论是苹果还是任何已知事物，我们在过去上百年的研究中发现，它有最不可分割的最小的单元。比如说我们知道物质由原子组成，原子是由原子核和电子组成的，原子核又是质子、中子组成的，质子、中子又是由夸克组成的。可以说我们对普通物质的理解是从宏观到微观很完整的了解。

可是对于暗物质来说，我们对它具体不可分割的最小单元却是所知甚少。这张图显示的是按照暗物质质量大小来排序，暗物质可能存在理论预言的参数空间，横跨八十几个数量级，包括好几大类理论。屏幕中间区域的有一种理论，预言了暗物质的质量大概比质子、中子重100倍到上千倍，这被称为是弱作用重粒子。左边比如说比质子、中子还轻的暗物质叫轻暗物质。还有更轻的暗物质，它有类似光子，波动性变得很强，粒子性变得很弱，叫做超轻暗物质。轴右边还有更重的复合型超重型的暗物质，甚至刚刚基普·索恩教授说的宇宙早期诞生出来的一些原初黑洞也可能是暗物质的候选者。

尽管我们没有找到支持哪一种暗物质本质的科学证据，但是我们却知道，暗物质有一些奇特的特性。比如说，它不跟光发生作用，因此它有隐身术。因为它也不参与强相互作用，这样它和普通物质的相互作用就非常弱，使得它具有非常强的穿透性，不仅仅可以穿墙，甚至可以穿越整个宇宙空间来到地球。

一般来说，探测暗物质有3种方法。第一种是在宇宙空间中找一个暗物质密度比较大的地方，暗物质粒子和暗物质粒子之间产生碰撞，可能会催生出来能够探测到的粒子，比如我国的“悟空”卫星就是把探测器放到太空中来寻找暗物质的间接证据。还有另外一种方法更直接，就是把一个非常灵敏的探测器放到一个非常安静的环境中，等待暗物质粒子到达探测器和原子碰撞以后，捕捉碰撞后原子的反冲信号，这被称为暗物质直接探测。另外，能量足够高的加速器上可见粒子的碰撞后，有可能把这个暗物质在对撞机中产生出来。

今天我想跟大家讲的是，就是直接探测实验。位置在距离在我们这里350公里的一个隧道中，雅砻江公司和清华大学共同开发的中国锦屏地下实验室。实验室位于大凉山区的锦屏隧道。为了修筑水利工程，雅砻江公司建设的锦屏隧道，2008年通车。这个隧道正中心向上看有2400米的岩石埋深，就造成了暗物质实验所需的极其安静的环境。

2009年清华大学和雅砻江建设了第一期的锦屏实验室，到2016年又开始了其二期实验室的建设，今天已经成为了我国的国家重大科学基础设施之一，支撑很多个团队开展极深地下的科研工作。我所从事的科学研究，就是在其中一个B2实验厅中开展。

我们的实验名称叫做PandaX，Panda既是致敬四川，致敬我国的国宝，同时也是粒子物理与天体物理的简称。X既是致敬我们不知道的暗物质，也是我们用的靶材惰性元素氙的代名词。我们把氙冷却到零下负100度，做成探测器来捕捉暗物质的碰撞。

我们来看一下这些暗物质到底是怎么进来实验室的。它穿过宇宙，来到地球，穿过厚厚的锦屏山2400米的岩石，最终到达了氙探测器中，找到氙原子进行碰撞，碰撞完之后不仅仅产生一束光，而是产生了两束光。

咱们具体看一下，每次碰撞完以后，原子会得到一定的能量，碰撞的瞬间一部分能量产生闪光信号。假设探测器上面、下面都放上能够测量光子的阵列，就可以捕捉第一缕光。第二缕光从哪里来？有些原子被电离了，这些电子在电场作用下会漂移到液体表面，我们再使得电子第二次被放大，产生第二缕光。

我们把第一缕光称为s1，第二缕光称为s2，把它们结合起来就可以知道这个事件碰撞到底沉积的能量是多少，到底在哪个位置碰撞的。另外，我们还能对碰撞究竟是什么样的事例进行甄别。

暗物质理论认为，暗物质更可能和原子核相互碰撞，原因是它会一下子看见一坨有很多质子、中子的原子核，比单个电子更容易碰撞。对于一个原子核被碰出去的信号，它的第一缕光和第二缕光的大小比较Balance（平衡），相反，如果是环境中或探测器中的伽马射线，则更容易和电子产生碰撞，而这时候电子反冲产生的信号，第二缕光和第一缕光的比值要大得多很多。通过这种方式，我们能够对探测器的本底进行很好的控制。

你可能会问，探测方法有了，为什么要在锦屏山做这个实验？我们这里显示了两边的对比，左边是上海交大的李政道研究所，是地面实验室中的液氙探测器。右边的视频是锦屏山B2实验厅正在运行中探测器的镜头。我们为了使得地下能够探测到的这个事例数最大化，采用了20平米的水屏蔽体来做探测器，而左边仅有1平米左右的液氙探测器。

大家可以看到，左边示波器正在闪的这些事例，就是我们在地表探测到来自宇宙深处的宇宙线打到大气层里产生的次级粒子，眼睛数不过来，大概一平米每秒钟可以看到100个这样的粒子。而在右边什么都没有看见。是不是仪器坏了？不是，是我们不够耐心！

这个图放在这里就可以看得很清楚，我们把一天的数据压缩在一起。右边一天我们在20平米的探测器中间看到5个事例，左边地表如果归一化面积后看到的是右边的千万倍到亿倍量级。这就是为什么要把探测器建设在极深的地下——能够屏蔽来自地表的宇宙射线，但是这个山体又像是一个漏筛一样，让所有暗物质都可以漏过去，跑到你的探测器中。

我们来看一个锦屏的视频。隧道长17公里，我们驱车来到隧道的正中间，9公里处，再拐进去就是国家重大基础设施了。现在我们进入洁净间，这是工作人员正在穿戴洁净服。

这是4年前我们建设新一代探测器的照片，安装“场笼”，上下光电倍增管阵列，最后把这些探测器合罐以后，运出洁净间。

这是制冷循环提纯系统（上图）。

最后是这个实验的核心，我们需要有氙气，这里是氙气存放系统，我们将5.6吨的氙气液化到负100度，运行探测器。探测器在一个超纯水的屏蔽体中间，探测器静静等待暗物质粒子的碰撞。

我们再看一下实际的数据图，这是我们真实采到的一个碰撞事例。可以看到，这是第一束光，反映在上下阵列上分布比较均匀的光。再往后面看，这是电子正在漂移，没有动静。过了一会儿后，电子漂到液面，到二次被放大的时候很靠顶部，这时候我们看到的闪光是在顶部上的第二次发光。通过这两个光具体测到的实际波形信息，我们就知道能量、位置以及碰撞到底是哪种种类，来进行暗物质的寻找。

你可能会问，听上去好像很简单！你们09年就开始建这个实验，这15年究竟做了什么？我们一共建设了三代探测器，今天是第三代，从120公斤到580公斤，今天是4吨级的探测器。但是我们在不停地和新的困难在进行battle（斗争）。十几年前有一个电视剧叫《走向共和》，其中有一句很著名的话，李鸿章说的“每一代人只能做一代的事情”。反映到我们这个实验非常贴切。我们在每一代更灵敏的探测器中都会发现一些全新的前面没有碰到的问题。

我给大家举一个例子，在最新一代的探测器中，我们看到了一种全新的本底，探测器中被掺杂了一些少量的氚元素。氚是什么？它是氢元素的同位素，一个质子中塞进两个中子。氚是不稳定的，大概半衰期12年。我们探测器运行了95天，发现的氚元素有多少呢？大概每公斤中间的氙有20个这样的氚原子。你听上来没有概念，但是对比一下，每一公斤的饮用水中有5万亿的氚原子，我们可以把它喝下去。所以我们实际看到的这个量是非常非常小的，可以说我们建设了一个全世界最好的氚探测器之一，才能看到这样的本底，可是当你看到这个本底以后才能试图去解决它。

这是我们团队经常干的事情，它并没有教科书，发现了一个个无法预料的问题，然后想办法。花了大概一年半左右的时间吧，我们第二次运行的时候把这个氚的本底降低了大约10倍，每公斤有2个，但是依然我们能看见它的踪迹。我希望也许再过几年，我们能给这个探测器中间的氚原子每个都起一个名字，每个都贴一个标签。探测器要灵敏到这样的程度，才是真正ideal（理想）的暗物质探测器。

但是不管怎么说，在所有的困难以后，我们还是得到了很多数据，得到了很好的暗物质探测结果。我跟大家分享一下最新的半年采集的数据的情况。

左边这张图，每个点就是我们最终筛选出来的1373个散射事例，每个事例有一个S1、S2，组合起来可以画一张图，这张图左右分割有一个红颜色的线，红颜色之上的线就是刚开始我说的，大多数这些事例主要来自于电子被踢出去的信号，大概率不是暗物质信号，我们称为本底区。而红线以下的区域就非常interesting（有趣）了，因为那个区域就是原子核被踢出去的信号区，我们称为暗物质区。

我们一共看到了多少这样的信号呢？如果后面的屏幕看不清楚，我来告诉你们，这个红线以下，这半年中我们打开盒子看到12个这样的事例。这显然是非常激动人心的。但是是不是看到了12个暗物质事例了? 不是，我们有另一个工作必须做，就是在信号区还会有一些本底混进来，你得知道到底有多少个期待的本底。做了本底预期以后，我们发现平均而言，在半年应该有13个本底事例。所以很不幸的是，我们这次又没有看到新的暗物质碰撞的事例，尽管每次我们打开黑盒子的时候都是掩不住的激动！希望哪一天tipping point（转折点）会来到！

右边这张图是对数据的interpretation（解释）。至今，全世界应该说所有的实验还没有看到确凿的证据。这种零结果不是没有意义，而是可以转化为暗物质和普通物质相互作用强度的上限。为什么说是上限呢？因为它不可能强于这个值，强于这个值的话，就应该在你的数据中看到超出。

这张图的每一条线，就是现在国际上比较领先的实验得到的上限。换言之，线之上的参数空间被排除了。那么PandaX最新的数据就是这条红颜色，深红的这条线，而前一个95天的数据是浅红色的线。另外还有两条是国际上的同类实验，一个是美国，一个是在意大利的实验团队，我们三家一直在激烈竞争。每一条线真的是人类探索未知疆域真正的、扎实的印记。

这张图上还有两个大圈，这是两大类理论预言的暗物质有可能存在的区域。可以看到，两个圈中都有一部分参数空间被排除了，当然下边还有广阔的空间。如果你要是比较乐观的话，明天探测器中就会出现这种预言中间的暗物质。

这张图的最下边还有一个很有意思的浅黄色区域，这是什么呢？当你的探测器灵敏到一定程度以后，就应该能够看到在我们的环境中跟暗物质性质非常像的一种已知的幽灵粒子，就是中微子和原子核碰撞的信号。我们距离这个边界还有两到三个数量级。如果我们需要全面覆盖这2-3个数量级来探测暗物质，还需要大概200吨/年的曝光量，也就是200吨的探测器运行1年，或者1吨探测器运行200年。

最后，我们也可以开到，比较低质量的区域，似乎我们的曲线已经开始碰到一些中微子的信号，事实是不是这样呢？

确实是这样的。太阳由于核反应产生出中微子，最高能段的中微子叫硼-8中微子，可以和氙核产生弹性散射。两个月前，我们的团队发表了第一个对这种太阳中微子和氙核弹性散射的数据，发现了75个这样的事例。这同我们的预期是很接近的！所以我们第一次验证，不仅仅是探测器的performance（性能）和我们的预期是吻合的，我们用中微子-氙核弹性散射这个全新的反应的道看到了太阳中微子。因此，未来的实验不仅能够用来寻找暗物质，可能还能对非常神秘的中微子进行更加精确的测量，甚至看到一些新的unexpected（出乎意料）的现象。

我们的团队在现在运行的基础上，还在进一步考虑进一步的升级计划。因为探测器中的原子越多，就越能够使得你在相对比较短的时间中发现暗物质的信号。也许明年的这个时候我们就要开始下一代的实验，20吨级的液氙实验。后面会根据氙气的拥有量，逐步产生升级到40多吨。这些所有的研究当然需要资金的投入，很感谢腾讯公司已经为这20吨的项目投入种子基金，使得我们能够开展升级工作。

我们对未来的时间也做了排期，大家可能会觉得有些搞笑，为什么你们未来十几年的工作都能够计划好？其实不是这样的，我们一般说来是五年一代探测器。我们希望在10-15年的时间，能够达到200吨/年的曝光量，也许这样的实验就已经能够发现暗物质的存在，证实暗物质的存在，或者是在这个过程中能够找到全新的其他现象。之后我们还有第二代的升级计划，把探测器中的同位素进行分离，对暗物质的某些性质能够做更加细节的研究。科学探索很漫长，也许明天事件就会出现，也许十多年中我们能找到奇奇怪怪的其他的现象，这种不可预期性可能正是科学探索的强大魅力。

说了这么多，演讲要结束了。你可能会问，暗物质好像在宇宙中很重要，但到底它有什么用？我没法给你一个今天的回答，我要在成都科幻馆借用《三体》的一句话给予一个来自未来的回答。《三体》中说，“弱小不是生存的障碍，傲慢才是”。

翻译成我们这个语境，应该是怎样的呢？我们对于宇宙知道得还是太少了，所以要保持谦虚，不要认为经历几次工业革命，我们的生活足够好了，而是要不停止地探索和理解它。其实我们的人类也一直是这样做的，从走出非洲成为最高等的文明，到我们今天可以走出地球，来研究太阳系，有一天也许像基普·索恩讲的，我们的足迹会步入银河系或者更深的宇宙中，到那个时候，理解暗物质的意义还是请您来告诉我吧。

本文转载自《腾讯科学WE大会》微信公众号