暗物质是什么（暗物质粒子是什么）

什么是暗物质(什么是暗物质粒子)

[原标题]金平地下实验室:2400米岩层下等待暗物质“光临”

这就是了。

中国四川西昌市凉山彝族自治州金平水电站金平山交通隧道中段。

在中国金平的地下实验室，那里的垂直岩石覆盖了2400米的厚度，研究人员正试图倾听暗物质粒子的低语。

研究人员已经发现，如果只有已知的物质，宇宙根本不应该是这样的。一定还有别的原因在起作用。

理论上，暗物质并不少见。据估计，暗物质约占宇宙质量的85%。但是，它看不见摸不着，几乎不作用于任何物体。这是一个存在于模型中的理论推导。

“谁能率先发现暗物质，谁就在科学上领先.”工程物理系教授、李副总指挥、国家重大科技基础设施总工程师说。

这是一个工程奇迹，也是暗物质探测的绝佳地点。

中国金平地下实验室的起源其实有点戏剧性。

在电视上，这只是一条滚动字幕新闻:2008年8月8日，金平两条长17.5公里的交通隧道被两条隧道连接起来。

当时清华大学工程物理系团队正在全国寻找合适的深实验室地址。

我们一直生活在宇宙射线的“背景音”中。不同的粒子发出不同的声音，奏出一曲宏大的交响乐。但是暗物质太特殊了。它冷漠害羞，几乎不与任何东西互动，几乎不发出声音。人们需要一个足够安静的环境，屏蔽掉所有已知的噪音，再造一个足够敏锐的耳朵，让他们面对面时能听到暗物质粒子的低语。

所以，凡事都要推到极限。

屏蔽宇宙射线的最好方法是把实验室建在地下。

金平山隧道入口。摄影:张盖伦

发现并研究暗物质将是人类知识的一次巨大飞跃，可能会引发一场新的物理学革命。

寻找暗物质始于2003年。

无独有偶，同样是在2003年，来自全国各地的近1.8万名水电开发商来到人迹罕至的雅砻江金平大河湾，割据战场，准备建设金平一、二级水电站。

金沙江支流雅砻江，奔流至木里、盐源、冕宁三县交界处。由于被金平山阻挡，它突然掉头转向东北，形成了长达150公里的金平河湾。金平一级和二级电站位于这个大河湾的东西两端。连接两座电站的金平山交通隧道已成为这项庞大水利工程的两条大动脉。

金平一级水电站大坝。摄影:张盖伦

清华大学的老师在新闻上看到了这个奇迹。他们敏锐地意识到暗物质实验室的地址是可以得到的！

时任清华大学副校长的程建平教授曾带队到四川找到主管金平水电项目的二滩公司(现雅砻江流域水电开发有限公司，以下简称雅砻江公司)，多次谈及此事。这种与高校、企业的跨界合作，真正成为了现实。

实验室的第一阶段建在金平山隧道的中间。空房间不大，只有4000立方米，却填补了国内没有深度实验室的空空白。

据测量，金平地下实验室的宇宙射线通量可以减少到地面水平的百万分之一到百万分之一。它是世界上宇宙射线通量最低、岩石覆盖最深的地下实验室。

跟所有细节“较劲”，把一切都推到极限。

2010年，中国金平地下实验室正式投入运行。

中国金平地下实验室一期工程入口。照片由受访者提供

第一个是清华大学牵头的盘古计划(CDEX)高纯锗暗物质实验和上海交通大学牵头的熊猫计划(PandaX)液态氙暗物质实验项目。两大项目是直接探测暗物质，即测量暗物质粒子与普通物质直接弹性碰撞产生的反冲核的数量和能量。

随着合作组对辐射背景的要求越来越严格，高纯无氧铜无法直接使用。清华大学工程物理系副教授马浩说，只要物质在地面上，就会受到宇宙射线的撞击，产生新的“噪音”。因此，课题组将把高纯度的无氧铜送到地下实验室，对铜进行电解重组，去除那些同位素。

探测暗物质的核心器件是高纯锗探测器。

传统的高纯锗探测器及其谱仪广泛应用于基础研究、核监测、核应急、国土安全、放射性管理等领域。但是探测暗物质，锗的纯度更高。

千足金称为“999”金，意思是含金量不低于999。课题组所需锗的纯度要达到12到13个9。

目前国内还没有能力制备这种高质量、高纯度的锗晶体。

然而，在十几年寻找暗物质的过程中，研究团队攻克了探测器制造技术。现在，团队已经能够做出商用级高纯锗探测器，实现了成果转化。

CDEX合作组的高纯锗探测器位于实验室白色聚乙烯伸缩门后面。

它受到重重保护:1米厚的聚乙烯材料，用于减速和吸收中子；20cm厚的铅层，用于屏蔽外部伽马射线；20cm厚的含硼聚乙烯，可以吸收热中子；20cm厚的高纯度无氧铜用于屏蔽外部铅和含硼聚乙烯免受伽马射线的影响。

2013年，CDEX合作组织发表了中国首次直接暗物质探测实验的结果。2014年给出了国际上最灵敏的用点电极探测高纯锗暗物质的实验结果。值得一提的是，这个结果，使用了同样的探测技术，明确排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质存在区域。PandaX的实验结果入选《科技先驱报》2016年度十大科学进展和《美国物理学会》2017年度亮点。

没有人知道暗物质粒子的真实体。所有暗物质探测团队其实都在画“排除线”。所谓排除线，就是我们已经找过这个区域了。如果没有，我们可以去别处看看。

排除线画得越多，暗物质空可能的隐藏空间就越小，搜索就更有针对性。

第二阶段的扩张，目标是成为全球深度科学研究中心。

暗物质实验的成果推动了我国相关基础前沿领域的快速发展，吸引了更多的科研需求。原有的暗物质实验需要升级，包括核天体物理实验、深部岩石力学实验、无中微子双β衰变实验…中国科学家渴望这样一个极深的地下实验空。

4000立方米，显得越来越捉襟见肘。

2014年，清华大学和雅砻江公司继续合作挖掘金平地下实验室二期工程。

单靠一个科学家团队是做不了这么大的项目的。他们必须充分整合资源，寻找可靠的合作伙伴，共同前进。

幸运的是，金平地下实验室已被列入国家重大科技基础设施十三五规划。它的正式名称是地下极深、辐射本底极低的前沿物理实验设施。

从一期实验室出来，往西端走500米左右，就到了二期实验室。它由四个子隧道组成，总体积为30万立方米，分为八个不同的主实验大厅和其他公共区域。

中国金平地下实验室主任程建平曾对科技日报记者打了个比方:如果说实验室一期是别墅，那么实验室二期就是社区。在社区内部，需要容纳更多的实验团队和实验项目。

但是新的问题随之而来。比如通风。

二期实验空房从一期的4000立方米增加到30万立方米。经过理论计算和讨论，施工队决定安装三根直径800 mm的聚乙烯通风管，总长9公里，通过排水孔将新鲜空气从西端雅砻江上的污水屏障平台输送到实验大厅。

然而，自从金平水电站开始发电以来，这条排水隧道实际上处于半废弃状态。洞内没有照明和通讯设备，淤泥和涌水，废弃的风机、龙门架、钢筋、混凝土残渣，还有许多深坑、围堰、涌水点和堤坝。2016年初，施工队清华大学薛涛老师带领两名工程师，穿着连体防水服，携带对讲机、安全绳、救生衣、火把、铁锹，进入排水隧道勘察。3个小时后，他们穿过泥泞，跑过流水，一点一点摸清了排水隧道内的情况，写出了排水隧道勘察报告，为通风管道的施工奠定了初步基础。

现在，不同的研究团队，带着他们自己有待解决的难题，等待着进入扩建后的中国金平地下实验室。

5月下旬，科技日报记者来到地下实验室二期B馆。在尚未完全建成的实验室里，由上海交通大学牵头的PandaX合作组已经紧锣密鼓地开始了工作。

探测暗物质是一个国际竞争项目，其他国家也在努力。这让科研人员不得不与时间赛跑。

PandaX实验升级后的4吨级液体氙探测器正在紧张调试中，等待暗物质的“光临”。“我们加班加点，但我们也脚踏实地。在确保安全的前提下，争取早出成果。”PandaX合作组的一位研究员向科技日报记者透露。

“我们在不断接近真相。”上海交通大学物理与天文学院助理研究员纣王说。无论是合作还是竞争，人类都在努力拓展自己的认知边界。但在他们心里，还是有为国争光的想法。“我们要在人类科学史上留下属于中国人的印记。”年轻的女研究员说。

CDEX的实验也将升级到100公斤甚至吨级高纯锗阵列探测器，将探测灵敏度提高两个数量级。在合作组的实验大厅里，近八层楼高的液氮罐已经矗立在基坑里。罐内将放置1000个高纯锗探测器。

“我们特别有信心，10年后，中国将拥有世界闻名的地下实验室。”李兴奋地说。他设想把金平地下实验室变成一个全球性的深层科学研究中心。

届时，来自世界各地的科学家将从凉山西昌乘车前往南方。一路上，隧道会和隧道连在一起，山会夹在山中间。大约两个小时后，当金平山隧道的入口展现在他们面前时，他们会下意识地觉得:就是这里了。