上海交通大學(xué)李政道研究所副所長劉江來：2400米地下捕捉暗物質(zhì) 多次刷新國際紀(jì)錄

每經(jīng)編輯 易啟江 宋紅    

“上天入地”，國際科學(xué)界對暗物質(zhì)探索的競爭空前激烈，而中國科學(xué)家的研究有望引領(lǐng)世界。

看不見摸不著、占整個宇宙27%的“神秘物質(zhì)”被稱為“暗物質(zhì)”，是解開宇宙奧秘的關(guān)鍵。在埋深2400米的四川省涼山州錦屏山隧道，全球暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的杰出代表劉江來和他的暗物質(zhì)實驗團隊，正在用4噸級液氙探測器，織起一張細密的網(wǎng)，捕捉那些會隱身術(shù)的暗物質(zhì)粒子。

劉江來是上海交通大學(xué)李政道研究所副所長、PandaX暗物質(zhì)實驗室首席科學(xué)家、江門中微子實驗標(biāo)定負責(zé)人，他在接受《每日經(jīng)濟新聞》記者（以下簡稱NBD）專訪時，介紹了中國在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的最新進展。他表示，暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)將對基礎(chǔ)科學(xué)產(chǎn)生深遠影響，有助于解釋宇宙成長、星系存在等問題。

多次刷新國際暗物質(zhì)探測的精度和靈敏度

在四川捕捉未知的暗物質(zhì)，和熊貓一樣難得的PandaX由此得名。2018年新一代實驗的工程建設(shè)期，實驗室里的科學(xué)家劉江來首先要做好一個基建“包工頭”。那段日子，他頻頻來往于學(xué)校和錦屏之間，和施工單位斡旋，“踩過很多坑”。

PandaX的“入地”方式是直接觀測，由于暗物質(zhì)粒子與普通粒子碰撞發(fā)出的信號極為微弱，要想聽到這樣的信號，必須將探測器放在一個非常安靜的地方。越往地下，宇宙射線的干擾就越少，越有機會“守株待兔”。除了直接觀測，“上天”是探測暗物質(zhì)的空間間接探測，“悟空”是我國第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，遨游太空試圖撥開暗物質(zhì)的烏云。

探測暗物質(zhì)是解開宇宙奧秘的一把鑰匙，國際科研團隊“貼身競爭”，都希望能率先發(fā)現(xiàn)新成果。

NBD：在埋深2400米的隧道中搭建一個暗物質(zhì)觀測實驗室，聽起來不可思議。是怎么做到的？

劉江來：我們說的埋深2400米，不是往地下鉆2400米的洞，其實是水平進入的隧道。錦屏山隧道是雅礱江流域水電開發(fā)有限公司為了建設(shè)水電工程，建造的一條穿山隧道。由于錦屏山很高，隧道的中間位置朝上看，巖石距離山頂達到2400米。

事實上，深地實驗一直是科學(xué)研究的絕佳實驗室，在極深的地下做研究，能屏蔽掉地表的各種宇宙射線干擾。

2009年，清華大學(xué)與雅礱江公司采用校企合作模式共建的錦屏地下實驗室一期建成投運，填補了我國深地實驗室的空白。而首批入駐的清華大學(xué)CDEX實驗組和上海交通大學(xué)PandaX實驗組填補了我國暗物質(zhì)研究的空白。

我們把氙冷卻到零下100攝氏度，做成探測器來捕捉暗物質(zhì)的碰撞。自2009年起，PandaX實驗組已建設(shè)三代暗物質(zhì)探測器，從120公斤到580公斤，現(xiàn)在的是4噸級的探測器。多次刷新國際暗物質(zhì)探測的精度和靈敏度，與國際上規(guī)模更大、經(jīng)驗更豐富的研究團隊同臺競技，成果交互領(lǐng)先。

十多年來，錦屏地下實驗室的條件也越來越好，目前已經(jīng)成為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺，支撐著中國很多科研團隊在這里開展工作，成為一個交叉學(xué)科的研究場所。比如華西醫(yī)學(xué)院的研究團隊把癌細胞放在那，觀測其生長速度的變化。（據(jù)四川觀察報道，華西醫(yī)院深地醫(yī)學(xué)研究中心研究員吳江稱，腫瘤細胞放到地下以后，生長會變慢。給它放入一些化療的藥物，它有增敏的現(xiàn)象，更有利于殺傷這個腫瘤細胞。記者注。）

NBD：暗物質(zhì)探測的國際競爭目前處于什么態(tài)勢？

劉江來：非常激烈。2016年我們和美國科研團隊在同一天發(fā)布研究結(jié)果，2017年同意大利團隊的結(jié)果發(fā)在同一期的期刊上。今年我們比意大利團隊早兩三個星期投稿，但11月，又發(fā)在同一個期刊的同一期上。

2014年，錦屏地下實驗室開始規(guī)劃建設(shè)二期項目，建設(shè)周期很長，一直到2023年底才結(jié)束?；üこ瘫囟〞绊懙綄嶒炦M度，而美國、歐洲和中國在暗物質(zhì)研究方面，已逐漸形成激烈競爭的態(tài)勢。當(dāng)時我們的實驗升級裝置已經(jīng)“箭在弦上”，為了跟國際上其他團隊競爭，必須盡快投入運行。

我們跟實驗室管委會申請，爭取在整體大設(shè)施建設(shè)的同時，讓我們的小實驗室同步運行。后來，我們得到很大支持，可以說是在工地上搭建了一個簡易的、相對封閉的空間用于實驗運行，當(dāng)然也是一個潔凈的空間。那段時間，實驗室外面在進行基礎(chǔ)建設(shè)，而實驗室里面一直在產(chǎn)出科學(xué)成果。雖然現(xiàn)在大家還沒有找到暗物質(zhì)，但正是這個機會能夠使我們始終站到科學(xué)問題最前沿。

基礎(chǔ)科學(xué)突破將會帶來什么？

看不見摸不著、占整個宇宙27%的“神秘物質(zhì)”被稱為“暗物質(zhì)”。那科學(xué)家們又憑什么相信暗物質(zhì)的存在呢？

“我們所處的銀河系就像宇宙中的一個細胞，宇宙中有很多像銀河系一樣的星系，而每個星系中又有上千億顆恒星，他們都是靠引力的相互作用聚合在一起?！眲⒔瓉斫忉尫Q，“科學(xué)界關(guān)于暗物質(zhì)想法的提出，是基于一個驚人的觀測結(jié)果。當(dāng)觀察這些星系中的恒星繞著中心旋轉(zhuǎn)的速度時，按照引力理論推斷，越往星系外側(cè)旋轉(zhuǎn)速度將越低，但事實卻不是這樣?！?/p>

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使到了星系的邊緣，恒星的旋轉(zhuǎn)速度還是非常高，大概比超音速飛機的速度還要快1000倍。怎樣才能維持質(zhì)量如此大的星系有如此高的旋轉(zhuǎn)速度呢？因此科學(xué)家提出，必須在星系中塞入一些我們看不見、摸不著的“暗物質(zhì)”才能解釋。反言之，如果沒有這些暗物質(zhì)提供的引力相互作用，整個星系就會分崩離析。

宇宙137億年的演化，暗物質(zhì)起決定作用，如果沒有其存在，可能整個銀河系、太陽系都不是這樣。100年前，很多人都認為相對論、量子力學(xué)沒用。但今天，大家手機里所有的芯片、電腦、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明都源于100年前的理論。也許100年后，我們的生產(chǎn)生活從早到晚“全是暗物質(zhì)”。

從大爆炸開始，宇宙已經(jīng)存在了137億年，而人類文明史不過3000~5000年；整個宇宙中有上千億的“銀河系”，而太陽只是我們所在銀河系里的一顆恒星。無論從時間還是空間角度上看，人類都是微不足道的。正如科學(xué)家季向東所言：“近代科學(xué)發(fā)展至今不過幾百年，卻已經(jīng)把世界的規(guī)律摸索得這么清楚，很難找到什么東西不能吻合現(xiàn)行的運作標(biāo)準(zhǔn)模型，暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)還將直接證實標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的正確性。暗物質(zhì)決定了我們的過去，決定了我們的未來。暗物質(zhì)這個謎團，是對人類智慧的又一個挑戰(zhàn)。”

NBD：你在演講中提到，每秒可能有上億的暗物質(zhì)穿過我們身體。這個數(shù)字是怎么測算的？那么多暗物質(zhì)穿過人體，對人們的生活有什么影響？

劉江來：這個數(shù)字是通過天文學(xué)測量的，我們把太陽附近的暗物質(zhì)密度估算出來。因為我們知道太陽軌道附近暗物質(zhì)每毫升中所占的重量，大概跟質(zhì)子的重量差不多，其實是很小的一個量。根據(jù)暗物質(zhì)粒子每一個都比質(zhì)子重100倍的理論猜想，然后再根據(jù)太陽繞著銀河系轉(zhuǎn)的速度，就可以把每秒鐘有多少個暗物質(zhì)粒子穿過我們?nèi)梭w這么大的面積給估算出來。

這種影響是非常間接的，沒有暗物質(zhì)就沒有銀河系，沒有銀河系就沒有太陽，沒有太陽就沒有地球。至于暗物質(zhì)對生活會不會有影響，我的答案是“NO”，就像每秒有近千億的太陽中微子穿過我們的拇指蓋，對我們也沒有影響。

觀測暗物質(zhì)是試圖揭開宇宙最深層次的面紗。它能解釋宇宙的成長、星系的存在，揭示物質(zhì)、能量以及它們之間相互作用的基本規(guī)律。而揭秘之后能帶來什么？我認為理解宇宙本源已經(jīng)夠了。一代人只能做一代人的事，這項基礎(chǔ)科學(xué)的突破能帶來哪些連鎖反應(yīng)，只能讓以后的人來說。

NBD：PandaX的氙氣探測器成本大概是多少？

劉江來：所有的科學(xué)資源都要花資源。氙氣的價格起伏很大，目前是低點，1公斤的氙氣不到1萬元人民幣。目前4噸級的液氙探測器實驗處于穩(wěn)定運行期，我們希望在不久的將來開始下一代的實驗——20噸級的液氙實驗，這將使其成為全球體量最大、靈敏度最高的液氙實驗系統(tǒng)。

相對于應(yīng)用研究，基礎(chǔ)研究的收益性是長線。比如19世紀(jì)，在卡諾提出熱力學(xué)第二定律的前身“卡諾定理”時，其實蒸汽機早就發(fā)現(xiàn)并且成功被應(yīng)用了。但熱力學(xué)第二定律指出的不可逆過程、時間有方向、熵等概念，成為現(xiàn)代科學(xué)的基石。如果沒有它，今天很多工程技術(shù)和發(fā)明就不會誕生，可能大家還在琢磨“永動機”呢。

NBD：100年前的物理學(xué)界常常是一個人、一個小作坊就做出驚人的成就，現(xiàn)代實驗物理學(xué)往往需要大量的資金支持和人力投入，切口小、難度大，而且還越來越難取得成果。你怎么看？

劉江來：我覺得科學(xué)發(fā)現(xiàn)總是遵循著科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，同個人對研究范式的“審美”關(guān)系不大。我們熟知的精妙絕倫的卡文迪許實驗、密利根油滴實驗等都是“小作坊”實驗，讓我們從小潛移默化產(chǎn)生了某種“審美”偏好。

但是，20世紀(jì)30年代開始，核物理和后來的粒子物理轉(zhuǎn)變了研究范式，從小作坊到更有組織、更大規(guī)模的大型裝置式研究。據(jù)說密利根（加州理工大學(xué)第一個諾獎得主）本人由于不喜歡政府資助的“大科學(xué)”，使得加州理工大學(xué)在二戰(zhàn)后粒子物理實驗的高速發(fā)展期鮮有作為，落后于伯克利大學(xué)和斯坦福大學(xué)。類似的發(fā)展規(guī)律在其他領(lǐng)域也比比皆是，就拿大家熟悉的信息技術(shù)行業(yè)來說，喬布斯他們?nèi)齻€人的團隊在父母的車庫里做出了第一代蘋果電腦，但現(xiàn)在的AI、超級計算機皆需要巨大的計算資源、資金資源、人力資源投入。當(dāng)然，我也不認為現(xiàn)代科學(xué)一定需要大科學(xué)裝置才能有所突破，每個人都有自己的“審美”偏好，但是“審美”要和科學(xué)發(fā)展規(guī)律吻合才能取得突破，我們對待不同的科研范式還是需要足夠的包容性。

科學(xué)的投資總有成功和失敗，而且看你怎么定義“失敗”？發(fā)現(xiàn)了一個新現(xiàn)象當(dāng)然是成功，但不是唯一的成功方式。一個工作是不是走在了科學(xué)的最前沿，這本身就很重要，本身就是成功。

十年磨一劍是快樂！劍沒磨出來怎么辦？

找到一個研究領(lǐng)域，一頭扎進去。在劉江來看來，“數(shù)十年如一日”“十年磨一劍”都不是痛苦，是科學(xué)家的快樂。而在世俗的理解中，這種“值得”，常常以成功的結(jié)局為前提。如果這把劍被競爭對手搶先磨出來，會遺憾嗎？

NBD：在探測暗物質(zhì)的過程中，最大的挑戰(zhàn)是什么？

劉江來：我們做實驗經(jīng)常說Devils in the detail（魔鬼藏在細節(jié)里），任何一點細節(jié)出錯，都會導(dǎo)致最后結(jié)果有問題。錦屏山雖然環(huán)境特別好，能夠屏蔽掉很多宇宙射線，但仍有很多“背景噪音”是地下實驗室屏蔽不掉的。我們每一代新的實驗都會發(fā)現(xiàn)一些以前探測不到的“本底事件”。

我們要理解這個事件到底從哪來的，到底是什么，再想辦法從實驗中去除。所以總體來說，我們的目標(biāo)是暗物質(zhì)，但研究中總是跟非暗物質(zhì)的事件打交道。在最新一代的探測器中，我們看到了一種全新的本底，探測器中被摻雜了一些少量的氚元素，氚是不穩(wěn)定的，半衰期大概12年，探測器運行了95天，發(fā)現(xiàn)每公斤氙中有20個氚原子。你聽上去沒有概念，但是對比一下，每公斤飲用水中有5萬億的氚原子，我們可以把它喝下去，所以我們實驗中的氚本底是非常小的，可以說我們建設(shè)了一個全世界最好的氚探測器之一，才能看到這樣的本底。我們花了一年半的時間才把氚的本底降低到了原來的十分之一，但依然能看見它的蹤跡。