什么是暗物質(zhì)？科學(xué)家們?yōu)楹芜x擇在深地仰望星空？

12月7日，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組正式入駐中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室錦屏大設(shè)施，開展暗物質(zhì)探測等一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)。什么是暗物質(zhì)？科學(xué)家們?yōu)槭裁催x擇在深地開展研究？

“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛”，在浩瀚宇宙中，小到一粒塵埃，大到山川湖海、日月星辰，都是可見物質(zhì)。但世界真的只是由看得見觀測到的物質(zhì)構(gòu)成的嗎？

２０世紀(jì)３０年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基通過大量天文學(xué)觀測和推導(dǎo)，根據(jù)一些星系運(yùn)動的異常，首次提出暗物質(zhì)的猜想。“所謂暗物質(zhì)，是指人類肉眼看不到、摸不著，且使用天文望遠(yuǎn)鏡和電磁學(xué)手段觀測都無法捕捉到的物質(zhì)。暗物質(zhì)既有‘穿墻術(shù)’，又有‘隱身術(shù)’。”上海交通大學(xué)教授、PandaX實(shí)驗(yàn)發(fā)言人劉江來說。暗物質(zhì)，多數(shù)人可能聽起來比較陌生，但科學(xué)家推測，可見物質(zhì)僅占整體宇宙質(zhì)量的5%左右，剩下的約95%都是暗物質(zhì)和暗能量。

中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)展示的科普資料。新華社記者 胥冰潔 攝

暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家們比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云”，兩者難以用現(xiàn)有理論解釋。“我們對于宇宙中95%的東西還摸不著頭腦，這種好奇心驅(qū)使我們?nèi)チ私馕粗I(lǐng)域，認(rèn)識世界。”清華大學(xué)工程物理系教授、CDEX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人岳騫說，暗物質(zhì)研究是突破當(dāng)前認(rèn)知邊界、打開人類視野的新的研究，屬于開拓性的前沿研究，也是當(dāng)前粒子物理學(xué)、宇宙學(xué)、天文物理學(xué)等學(xué)科前沿的研究課題。

然而，要想直接探測到暗物質(zhì)，十分困難。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)發(fā)生作用的幾率極其低，一個(gè)形象的例子可以說明：通過實(shí)際計(jì)算，每秒鐘大概有10億個(gè)暗物質(zhì)粒子撞擊著我們的身體，但大多都“穿身而過”，暗物質(zhì)粒子和我們身體中的原子發(fā)生碰撞的次數(shù)卻十分稀少，大約一年一次。此外，無處不在的宇宙射線會極大干擾探測工作，讓本就困難的探測工作難上加難。

一座能阻擋宇宙射線、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和器材輻射本底低的“純凈”實(shí)驗(yàn)室成為探測暗物質(zhì)的必要條件。

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室錦屏大設(shè)施位于四川省涼山彝族自治州錦屏山地下2400米處，總?cè)莘e33萬立方米，實(shí)驗(yàn)室宇宙線通量僅為地表的一億分之一，具備“極低環(huán)境氡析出”“極低環(huán)境輻射”“超低宇宙線通量”“超潔凈空間”等多種優(yōu)勢，為開展暗物質(zhì)探測提供了絕佳的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2010年，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期建成投運(yùn)，清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組和上海交通大學(xué)PandaX實(shí)驗(yàn)組首批入駐，開展暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)。自一期投運(yùn)以來，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室在暗物質(zhì)探測、核天體物理等領(lǐng)域取得多項(xiàng)國際領(lǐng)先的科研成果。

清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組研究人員在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。新華社發(fā)

“經(jīng)過十多年的努力，中國暗物質(zhì)研究從無到有，從‘跟跑’到‘并跑’再到逐步‘領(lǐng)跑’，已經(jīng)走到了國際前沿。接下來，我們將和外國科學(xué)家們一起向人類面臨的同一科學(xué)問題發(fā)起挑戰(zhàn)——在尋找暗物質(zhì)的道路上，看看誰能最先找到暗物質(zhì)。”岳騫說。

暗物質(zhì)研究對人類社會有何意義？我們的生活會因此發(fā)生變化嗎？“100多年前我們已經(jīng)探測到了電磁波，但當(dāng)時(shí)從沒想過它會跟我們的生活息息相關(guān)，現(xiàn)在我們?nèi)耸忠徊渴謾C(jī)，已經(jīng)完全離不開無線電的具體應(yīng)用了。”岳騫認(rèn)為，暗物質(zhì)也是一樣，首先得找到暗物質(zhì)，然后對它進(jìn)行深入研究，最后會自然而然想到怎么用它去造福社會。（邢拓、薛晨）