“95”后2400米地下“守株待兔”暗物質

在地下2400米的實驗室尋找暗物質是什么體驗？“95后”清華大學工程物理系博士生聶奇緣笑稱，這項研究像是“守株待兔”，待穿過重重阻礙的暗物質“自投羅網”。

暗物質指“不發光(包括所有波段的電磁波)”的物質，因此很難通過常規手段觀察到。構成恒星、星系等可見宇宙的普通物質僅占宇宙總質量的4.9%；暗物質則約占26.8%，它參與了宇宙的演化并組成了宇宙的現在。作為當前科學前沿熱點，研究暗物質能改變人類對宇宙的認知。

位于四川涼山錦屏山隧道中部的中國錦屏地下實驗室是世界埋深最大的地下實驗室，2400米的巖石層埋深將大量輻射阻隔在山體之外，實驗室中高純鍺探測器外部有聚乙烯、鉛、銅等六重“盔甲”，層層屏蔽中子、伽馬射線等輻射源。如果“翻山越嶺”碰撞上探測器的物質留下與普通物質不同的反沖能量，就有可能是暗物質，這便是“守株待兔”。“這里就像暗室，能把宇宙射線的噪聲屏蔽掉，更容易捕捉到暗物質。”中國錦屏地下實驗室科研助理景明坤如此形容。

由于實驗環境要求特殊，在中國擁有地下實驗室前，其暗物質實驗一直借用其他國家的實驗室。“當時只有不到1平方米的實驗區，不利于開展各項實驗。”談論起暗物質研究歷程，景明坤很是感慨。2008年，雅礱江錦屏山隧道貫通，清華大學專家發現此處有2400米的天然巖石屏障，自身低輻射環境有利于開展暗物質研究。于是，清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司合作，開始了緊鑼密鼓的建設。2010年，中國錦屏地下實驗室建成并投入使用，主要開展暗物質、中微子、核天體物理等前沿基礎科學研究，填補了中國地下實驗室的空白。目前，中國錦屏地下實驗室正在擴建二期工程，將從現有的4000立方米擴容到30萬立方米。

實驗室內，研究人員主要工作分為暗物質探測和環境輻射測量研究。高純鍺探測器每天能捕捉到成千上萬的信號波形，為了測量暗物質，作為CDEX實驗組成員的聶奇緣正在顯示器前對捕捉到的碰撞信號進行分析，判斷是否為暗物質信號。

低輻射環境和純凈的實驗材料是暗物質實驗順利進行的保障，“90后”景明坤已在環境輻射測量崗位上工作7年有余。每天的工作內容是對所有實驗樣本進行輻射檢測，景明坤享受不同實驗帶來的快樂：“雖然久居深山地下，科研工作讓我的興趣得到極大滿足，希望有生之年能對暗物質研究做出一點貢獻。”

近年來，中國暗物質及相關研究實現從“跟跑”“并跑”到“領跑”的跨越。目前，清華大學、上海交通大學等高校取得近30項科研成果。其中，清華大學2014年發表的論文成功排除了美國一實驗室宣稱“探測到暗物質”的區域；上海交通大學2021年“熊貓”實驗公布的暗物質搜尋結果再次刷新了暗物質實驗探測的邊界值；該實驗室深地核天體物理實驗揭示了古老恒星鈣豐度之謎，相關論文于今年10月26日在《自然》上發表。