文 | 京畿部长
人类对于世界和宇宙的好奇心向来旺盛，对此建立了很多实验室来发现未知的奥秘。对于实验室而言大家想必都不陌生，但说起地下实验室很多人就知之甚少了。由于一些科学实验需要极为复杂的环境，而地表上又无法满足这些条件，于是科学家们就把眼光放到了地底，建立了地下实验室。这些实验室有各种各样的研究目的，在如今世界上现存的地下实验室中，中国的锦屏极深地下暗物质实验室，是世界上岩石覆盖最深也是最大的实验室，而它的主要研究目的，就是找到暗物质。
暗物质
宇宙中有着各种各样的粒子和能量，它们不同于我们在现实生活中能看到的物质。我们在日常生活中能看见和感觉到的各种物质，有一个共同性就是都携带电子，有了电子它们就能够产生电磁场，而电磁场的相互作用就能够让你感知到这些物质的存在。
而与之相反的，有些物质是不带电子的，没有电子就缺少了电磁场的相互作用，导致它们很难被看到和感知，但你不能否认他们的存在，比如暗物质。而发现它们，就需要一定的技术条件和手段了。
1915年，爱因斯坦认为宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。也就是说宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”，其实也不是失踪，是我们没有观测到罢了。
现代科学研究表明，宇宙中暗物质占全部物质总质量的80%以上。暗物质粒子无处不在，但人体却无知无觉。也只有最精密的仪器，才可能捕捉到它与原子核碰撞产生的微弱信号。暗物质最重要的一点是，它促成了宇宙结构的形成，可以说如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也更谈不上今天的人类了。
所以研究暗物质意义重大，价值非凡。如果暗物质的研究一旦有所突破，不仅将可能改变人类对于宇宙、天体形成和运动的认识，它还可以衍生和运用到更广的领域，例如，气候、能源等诸多世界级生存难题，甚至改变人类对原有的时间和空间的认识，那将是近几十年以来最为重要的物理学研究成果。
▲在太空中运行的暗物质粒子探测卫星。图片来源：中国科学院
所以说到底，如果我们不了解暗物质的性质，就不能说了解了宇宙，也就不能把握人类的未来。现在已经知道的暗物质是中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分还不清楚。所以还需要进一步去找到和研究暗物质的踪迹。
挖洞
不同于一般的科学实验，要找到并观测暗物质在地表是很难实现的。我们目前能够直接探测到暗物质的方法，就是让原子核与暗物质发生碰撞，通过探测碰撞产生的信号，来研究暗物质。
但暗物质的观测环境很苛刻。在地表，宇宙射线和生活辐射会严重干扰到暗物质的探测，即使有时候原子核与暗物质发生有效撞击，但碰撞产生的信号会因为这些干扰而无法被鉴别到。而在极低辐射的地下，可以最大程度地屏蔽宇宙射线等的影响，让探测器探测到有效的信号，让这个方法奏效。于是有志研究暗物质的各国都开始挖洞，建立自己的地下试验所。
最早建立地下实验室的国家有美、英、法、意大利、加拿大、日本、印度、俄罗斯，且都取得重大的科研成果。从深度来说，意大利的国家格兰莎索实验室建造在地下1400米深处，美国的桑德福研究所位于地下1500米深处。而我国的棉屏山实验室建设于2010年，位于地下垂直深度2400米，是目前世界上岩石覆盖最深的实验室，也是观测环境最好的地下实验室。
▲中国锦屏地下实验室
地下实验室之所以有效，关键就在于岩石层。
评价一个地下实验室性能的最重要的参数，就是实验室的宇宙射线通量水平。通常在地面每秒每平方米大约有100多个宇宙射线，海拔越高，宇宙射线越高。而岩石的天然放射性特别低，锦屏实验室的垂直岩石覆盖厚度达2400多米，这个深度已经把宇宙射线屏蔽的含量很少了，不仅物理屏障，实验室还采用了人工屏蔽方法。在这种条件下获得的关于暗物质研究的数据，可以说是最准确权威的，也让我国的暗物质研究极具参考价值，走到了世界前列。
▲示意图
而这个实验室，不仅有我国的研究人员在工作，不少国外团队也申请将自己的科研项目整体移到锦屏地下实验室中。
探测
暗物质探测主要有三种方法，直接探测，间接探测和加速器实验。
前两者是探测暗物质对互相碰撞、湮灭时产生的标准模型粒子，后者是利用加速器将标准模型粒子加速到高能量后对撞，通过测量对撞丢失的能量来反推暗物质的各种性质。
▲关于暗物质的电脑模拟图。该图演示了不可见暗物质是如何在光环中结合的
锦屏实验室采用的是直接探测的方法，就是测量暗物质粒子直接碰撞普通物质引起的反冲核的数量和能量。实验室利用的是重约10千克的极低能量阈高纯锗阵列探测器，开展暗物质直接探测实验研究，探测质量在1GeV-1000GeV以上较宽质量范围内的暗物质分布状态。目前在10GeV以下暗物质质量空间范围内，已经得到国际上最好的暗物质探测灵敏度。为我国未来开展“吨”量级大规模暗物质质探测实验，奠定地下实验室条件、探测技术、研究队伍等方面的基础。
虽然到目前，暗物质还没有被找到，但它的藏身范围，已经越来越小了。相信在未来暗物质也会像黑洞一样被人们拍到，找到，让我们共同期待这一天的到来。
粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘。就像电被发明时，人们都无法想象后来的电视、电脑一样，暗物质的研究， 将会推动重大基础前沿课题的自主研究和应用，全人类都将由此受益。而随着人们的重视和投入，我想人类距离“暗物质是什么”这个答案，也不会太远了。
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