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国际社会关注中国开展最深暗物质试验 |
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——全球合作或已势在必行 |
PandaX位于四川省锦屏山。图为移走碎石的输送带。
图片来源：WOLFGANG LORENZON
我们想要证明世界一流的暗物质研究在中国是可能的。
■本报见习记者 张冬冬
在地下1000多米处，物理学家正使用液氙设下陷阱来捕捉猎物：假想中的暗物质粒子——它们在穿越地球的过程中有极少数可能与普通物质发生作用。每个陷阱的建设需要1000万美元，然而该实验可以探测到宇宙中暗物质85%的组成部分，因此花费相对较少。不过，在地球上设置4个这样的陷阱真的有必要吗？
据《自然》杂志报道，近期，中国的PandaX实验加入到意大利、美国和日本的研究行列中。该实验拥有世界上最深的实验室，位于四川省锦屏大理岩山体以下2500米处。PandaX将于今年开始利用120千克液氙探测暗物质，研究团队希望可以在2016年将使用量提升至1吨，这意味着该实验将会比其他的暗物质研究进展更快。“我们想要证明世界一流的暗物质研究在中国是可能的。”PandaX项目的发言人、上海交通大学物理学家季向东表示。
西方国家的暗物质研究人员为这项计划的目标感到兴奋，但有些人却质疑这将导致重复工作。“将我们的经费花在不同的直接检测实验上并不值得。”美国加利福尼亚州SLAC国家加速器实验室的天体物理学家Stefan Funk说。他承认他的观点较为偏颇——他通过在空中寻找可能的γ射线信号来间接探测暗物质。
多个液氙实验的出现反映了暗物质探测研究中的混战，以及各国争相解决物理学前沿问题的野心。对星系旋转和宇宙背景辐射的观测发现，宇宙中大约85%的物质之间都存在引力，但并不会辐射光。主要理论表明，这样的暗物质以弱作用大质量粒子（WIMPs）的形式存在。它们如果存在，会偶尔与普通物质的原子核相撞击，因此基本上会在一大池像液氙这样的原子致密材料中被探测到——当与原子核相撞时，该材料会产生光。
在地下进行该实验，是为了减少与WIMPs相仿的宇宙射线的干涉。至今，科学家还没有什么发现。位于意大利阿奎拉附近的实验XENON100取得了最多的进展，至今运行225天，并未探测到WIMP信号，排除了质量更大、相互作用更强的粒子存在的可能性。在未来 几个月中，XENON合作组织会开始将液氙使用量提升至1吨多，其探测灵敏度将会提高100倍。
PandaX项目是在中国国家自然科学基金委员会和科技部资助相关研究团队时产生的。该团队在经过2年的建设后，于2011年在锦屏山的地下设立了一个小型实验室。尽管季向东认为在中国中部进行实验存在很多挑战，但PandaX项目仍希望在今年年底能够以更轻的WIMPs来匹敌XENON100现在的灵敏度。日前，该团队刚刚由于液氮供应的延迟而导致不能进行冷却实验。但是由于PandaX比其他实验室的位置深1000米，它更容易屏蔽宇宙射线，这将使其更容易升级液氙使用量。
通过联合一些包括美国的高校在内的大学，中国在PandaX项目上拨款1500万美元，然而该研究团队仍希望有更多的国际合作伙伴。1月，PandaX向尚未与中国的基金会达成任何协议的美国能源部（DOE）申请合作，但遭到拒绝。而DOE正在资助XENON合作之外的一个研究团队：在南达科他州的霍姆斯特克金矿进行的大型地下氙（LUX）实验。
霍姆斯特克曾是一个大型地下实验室的候选场所。但是该实验室的资助者，美国国家科学基金会（NSF）于2010年放弃该想法，使DOE独自负责该实验室，并承担为防止矿山发生山洪而进行持续维护的全部花费。
芝加哥大学的物理学家Juan Collar称，LUX可能是所有氙实验中最脆弱的一个。他正在进行一些小型实验来探测更轻的WIMPs。“目前的资助情况很不好。”他说。DOE已宣称计划将于10月减少资助大型暗物质实验室的数量，LUX首当其冲。XENON100是通过NSF获得资助的，因此将会在这个筛选过程中幸存。
LUX发言人、罗德岛布朗大学的物理学家Rick Gaitskell称，美国需要自己的地下实验室来保持在暗物质研究领域的位置。他问道：“为什么我们要放弃领先地位而将所有的实验都移到海外呢？”
PandaX很可能成为世界上最好的地下实验室，季向东称，合作是大势所趋。国际组织不可能同时资助两个以上的使用大型探测器的氙实验，他说，美国需要抉择放弃一些实验。同时，很多团队共同来促进该技术的想法并不坏。“这将有助于建立最终的暗物质实验。”
《中国科学报》 (2013-02-25 第3版 国际)
