“每秒鐘都有上億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體，其實(shí)不止暗物質(zhì)，還有很多已知粒子，例如每秒穿過我們指甲蓋的太陽中微子便是以萬億計(jì)。” 上海交通大學(xué)李政道研究所特聘教授及副所長(zhǎng)、PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家劉江來近日接受第一財(cái)經(jīng)記者采訪時(shí)表示。雖然暗物質(zhì)研究的用途尚待開發(fā)，但人們可以如此理解這類“幽靈粒子”與人類的關(guān)系。

眼下，四川錦屏山2400米深的山體下，極深地下正在保護(hù)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中PandaX實(shí)驗(yàn)的氙探測(cè)器免受宇宙射線干擾。僅在國內(nèi)，包括PandaX在內(nèi)，就至少有三個(gè)知名項(xiàng)目在捕捉暗物質(zhì)。各大暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室在全球范圍內(nèi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，希望率先拿到暗物質(zhì)存在的鐵證。這一進(jìn)展在年內(nèi)加快了。

兩個(gè)月前，PandaX的探測(cè)器探測(cè)到另一種“幽靈粒子”太陽中微子，包括PandaX在內(nèi)的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室在本月早些時(shí)候則發(fā)表了探測(cè)到太陽中微子的研究成果。新進(jìn)展背后，是暗物質(zhì)探測(cè)器靈敏度的上升。而探測(cè)到太陽中微子后，下一步，科學(xué)界已在討論如何穿越“中微子霧”看到暗物質(zhì)。

穿越“中微子霧”

當(dāng)今自然科學(xué)界最前沿的幾個(gè)課題“兩暗一黑三起源”中，兩暗指的就是暗物質(zhì)和暗能量。科學(xué)家認(rèn)為，這些基礎(chǔ)研究不會(huì)馬上對(duì)人類日常生活產(chǎn)生直接影響，但當(dāng)人類邁向太空、把握自身命運(yùn)時(shí)，這些研究具有奠基性作用。宇宙成分中，人類已知物質(zhì)僅占5%，而暗物質(zhì)占到26%，整個(gè)星系可能就處于一個(gè)近乎霧霾的暗物質(zhì)云里。

雖然人類肉眼感受不到暗物質(zhì)，但科學(xué)家最初發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)跡象的思路很容易理解。1933年，瑞士天體物理學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)，大尺度星系團(tuán)中眾多星系的速度遠(yuǎn)高于理論預(yù)言，為滿足高速運(yùn)動(dòng)，需要極大質(zhì)量提供引力，因此星系團(tuán)中應(yīng)該存在大量看不見的物質(zhì)?？茖W(xué)家隨后發(fā)現(xiàn)，在既有引力作用下，距銀河系中心較遠(yuǎn)的恒星運(yùn)動(dòng)速度理應(yīng)變慢，但實(shí)際速度很快，若無暗物質(zhì)，恒星會(huì)飛出星系，星系將分崩離析。

眾多觀測(cè)數(shù)據(jù)支持暗物質(zhì)的存在，但探測(cè)仍在進(jìn)行。“（現(xiàn)在）這種零結(jié)果并非沒有意義。”劉江來日前在騰訊科學(xué)WE大會(huì)上解釋?？茖W(xué)家將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互作用強(qiáng)度的上限，在紙上畫出一根曲線并排除曲線上方的參數(shù)空間，暗物質(zhì)就存在于曲線之下。

最新成果則是，隨著暗物質(zhì)探測(cè)器靈敏度提升，探測(cè)器已探測(cè)到另一種基本粒子中微子，被探測(cè)到的太陽中微子原本像暗物質(zhì)粒子一般難以捕捉。兩個(gè)月前，PandaX-4T觀測(cè)到太陽中微子的跡象并發(fā)表了第一個(gè)太陽中微子和氙核彈性散射的數(shù)據(jù)。“在我們之前，還沒有團(tuán)隊(duì)用暗物質(zhì)探測(cè)器看到太陽中微子和氙原子核的彈性散射的信號(hào)。此前太陽中微子實(shí)驗(yàn)采用數(shù)百噸級(jí)、幾千噸級(jí)、萬噸級(jí)的實(shí)驗(yàn)，我們僅用4噸級(jí)的實(shí)驗(yàn)就看到了。”劉江來告訴第一財(cái)經(jīng)記者。

11月7日，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》則同時(shí)發(fā)表了兩個(gè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立測(cè)量到“中微子霧”的文章，分別來自PandaX-4T和意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的XENONnT實(shí)驗(yàn)。

不過，科學(xué)界也在討論，中微子出現(xiàn)在探測(cè)器中，可能干擾后續(xù)暗物質(zhì)的探測(cè)，兩種粒子碰撞產(chǎn)生的信號(hào)可能是相似的。劉江來向記者解釋，如果暗物質(zhì)的質(zhì)量恰是質(zhì)子質(zhì)量的5~6倍，太陽中微子和暗物質(zhì)事件就混在一起了，兩個(gè)信號(hào)特征幾乎一樣，探測(cè)到暗物質(zhì)事件變得很困難。若對(duì)太陽中微子的本底理解特別精確，可以減除本底來挑出暗物質(zhì)事件，但這條路并不容易，前提是需拿到很多事例且對(duì)系統(tǒng)誤差有很好的理解。

一些科學(xué)界分析人士認(rèn)為，“中微子霧”使暗物質(zhì)探測(cè)蒙上一層陰霾。“不過，我們實(shí)驗(yàn)探索的其他更廣泛質(zhì)量的參數(shù)空間中，還有2~3個(gè)數(shù)量級(jí)的參數(shù)空間未碰到瓶頸或碰到不可逾越的中微子，那時(shí)的瓶頸將來自大氣層中微子。”劉江來告訴記者，為了覆蓋這么大的參數(shù)空間，除了靠鉆研本底去除，下一步PandaX的探測(cè)器也將升級(jí)，希望能更快看到暗物質(zhì)事例。目前PandaX液氙探測(cè)器用4噸重的氙原子捕捉暗物質(zhì)，明年P(guān)andaX可能進(jìn)行下一代實(shí)驗(yàn)，變成20噸級(jí)，在10~15年內(nèi)，曝光量預(yù)計(jì)將達(dá)200噸/年。

暗物質(zhì)或是宇宙新信史

全球?qū)μ綔y(cè)暗物質(zhì)的熱情高漲，僅在國內(nèi)，便至少有三個(gè)探測(cè)暗物質(zhì)的“國家隊(duì)”項(xiàng)目，其中還包括2015年升空的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”，以及由清華大學(xué)牽頭、采用高純鍺探測(cè)器的CDNX實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。

國內(nèi)外另一些實(shí)驗(yàn)室也在嘗試。最新消息是，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用量子精密測(cè)量技術(shù)在“軸子窗口”內(nèi)成功開展了軸子暗物質(zhì)直接搜尋實(shí)驗(yàn)。9月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工科研人員則開發(fā)出一種人工智能算法，可從天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中分辨出與暗物質(zhì)有關(guān)的信號(hào)并與其他易混淆的信號(hào)區(qū)別開。

記者了解到，目前探測(cè)暗物質(zhì)有三種主流路徑，三種路徑都在爭(zhēng)流。一種間接探測(cè)方法是在宇宙空間暗物質(zhì)密度較大的區(qū)域內(nèi)，探測(cè)暗物質(zhì)粒子之間碰撞產(chǎn)生的粒子，“悟空”衛(wèi)星就采用這種方法；一種直接探測(cè)方法是將靈敏探測(cè)器放到安靜環(huán)境如極深地下，待暗物質(zhì)粒子到達(dá)并與原子碰撞，探測(cè)器捕捉碰撞后的反沖信號(hào)；還有一種方法是加速器中可見粒子碰撞，暗物質(zhì)或從對(duì)撞機(jī)中產(chǎn)生。

其中，直接探測(cè)法正往地下深處去，例如利用礦井、隧道。液氙探測(cè)器2004年左右開始興起，升級(jí)探測(cè)器則依賴與產(chǎn)業(yè)界合作。例如，要研制出能在零下100度液氙潔凈環(huán)境下對(duì)特定紫外波長(zhǎng)敏感的傳感器十分困難，PandaX正與高精尖企業(yè)合作，探討國產(chǎn)化。劉江來認(rèn)為，在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化之間已出現(xiàn)一條看得見但并不十分直接的鏈條，科學(xué)界的突破有望導(dǎo)向新的商業(yè)市場(chǎng)，且這種合作會(huì)越來越多。

“暗物質(zhì)最后用途如何，我很難給出具體回答。對(duì)科學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生顛覆性影響后，后面是什么要交給未來的人判斷。今天科幻或許講得更明白，哪天我們?cè)阢y河系星際旅行時(shí)，我們需要知道暗物質(zhì)分布才能做天氣預(yù)報(bào)。”劉江來告訴記者，也曾有美國科學(xué)家提出一種特殊的暗物質(zhì)理論，認(rèn)為暗物質(zhì)之間有相互作用，能對(duì)銀盤產(chǎn)生影響，基于此提出恐龍滅絕與暗物質(zhì)有關(guān)的假說。

不只是暗物質(zhì)探測(cè)，其他天體物理研究近年也在突破。2015年，LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）首次探測(cè)到兩個(gè)遙遠(yuǎn)黑洞產(chǎn)生的引力波，人類理解宇宙的“鑰匙”自此多了引力波，多信史天文學(xué)（用多種信史觀測(cè)同一天體）興起。LIGO奠基者基普·索恩此前告訴記者，未來幾十年內(nèi)人類有望對(duì)宇宙大爆炸產(chǎn)生的原始引力波有確切的了解。

而就像能穿越宇宙空間引力波，暗物質(zhì)也具有極強(qiáng)的穿透性，能穿透宇宙空間來到地球，或許也能攜帶關(guān)于宇宙的信息。“現(xiàn)在除了電磁波這種觀測(cè)天體的傳統(tǒng)手段，還多了引力波、中微子，甚至某一天，暗物質(zhì)也可能會(huì)成為信史。”劉江來告訴記者。