科學家在過去近百年里對于暗物質的研究從最初的猜測發展到當前多方向多領域多技術途徑全面探測和找尋，展現出“百花齊放、百家爭鳴”的景象?？梢灶A期，暗物質之謎將在相當長時間內作為物理學最前沿科學問題，吸引越來越多科學家和大眾的關注。

暗物質與超出粒子物理標準模型的新物理

暗物質之父 茲威基

到底什么是暗物質呢？暗物質，通俗地講就是那些既不發射光，也不吸收和反射光的物質。由于暗物質還是屬于物質范疇，因此和普通物質一樣，具有引力效應。暗物質問題是由瑞士科學家茲維基（Fritz Zwicky）在1933年解釋天文觀測的一些新現象時提出的。到目前為止，暗物質存在的多個科學證據都是由天文觀測給出?？茖W家根據天文觀測數據和研究結果得出暗物質質量約占宇宙物質總質量的百分之八十到百分之九十，而且分布在宇宙的各個角落。那么，如此巨大的宇宙物質質量，必定在物質起源和宇宙演化過程中具有重要的地位。研究和理解暗物質的本質將會影響和改變人類對于宇宙的認識。

暗物質問題提出以來，科學家們發展了各種各樣的理論模型，給出了許多不同可能的暗物質候選者。當前暗物質主要候選者是運動速度遠小于光速的冷暗物質。然而，在過去一個世紀逐步發展到近乎完美的粒子物理標準模型中卻找不到可以作為冷暗物質的候選粒子，使得物理學家們紛紛轉向了超出粒子物理標準模型的新物理。這就預示著暗物質和新物理有很大關聯，因而暗物質研究變得更為重要。在很多新物理中都預言了標準模型之外可以作為冷暗物質候選者的粒子，其中弱相互作用大質量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）和軸子（Axion）等一些可能的暗物質候選者受到了廣泛的關注，成為當前暗物質探測研究的主要對象。

暗物質探測的三種方式

暗物質理論的正確性需要實驗檢驗。根據當前主要的暗物質理論模型和候選粒子，暗物質實驗探測方法主要分成直接探測、間接探測和加速器實驗三大類。

暗物質直接探測實驗通過探測暗物質與普通物質相互碰撞后靶核的反沖能量、方向、數量及其隨時間變化等參數和特性來研究暗物質粒子的基本性質。對于10千兆電子伏特以下輕暗物質的直接探測，我國清華大學領導的CDEX合作組所用的低閾值點電極高純鍺技術和美國CDMSLite合作組所用的聲子放大高純鍺技術是兩種代表性的技術路線。對于10千兆電子伏特以上的重暗物質探測，基于氣液二相氙/氬探測器技術擁有優勢。國際上基于液氙的實驗主要有美國LZ、歐美聯合XENON和我國PandaX實驗，基于液氬的實驗有歐洲的DarkSide實驗。

暗物質間接探測實驗通過探測暗物質粒子自身衰變或者相互碰撞后湮滅的產物來研究暗物質的基本性質。這些產物一般包括伽馬射線、正負電子、正反質子、中微子等。間接探測實驗大多是發射衛星到太空中或者把實驗設備安裝到空間站上進行。例如中國的“悟空”暗物質探測衛星、歐洲AMS-02衛星實驗等等。此外，還有高空氣球、地面望遠鏡、冰下探測器等形式。例如，美國領導的ICECube實驗組在南極冰蓋下建造了體積約一立方公里的巨型冰探測器來間接探測暗物質。

加速器暗物質實驗通過探測常規粒子在高能對撞下的產物來研究暗物質。普通物質粒子以較高的能量對撞時可能會產生暗物質粒子。目前國際上的大型加速器實驗都不是專門為探測暗物質設計的，暗物質粒子極有可能在穿過所有的探測器時不留下任何痕跡，只是帶走部分能量，從而在探測器系統中造成“能量丟失”。根據探測器系統中“丟失能量”的測量可以推斷是否有暗物質產生，進而研究暗物質的動量、質量等性質。加速器暗物質實驗要求加速器能夠將標準模型粒子加速到較高的能量，目前國際上的科學家主要基于歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機LHC（Large Hadron Collider）開展研究，但還沒有給出暗物質的可能信號。

這些暗物質探測實驗中，直接探測實驗具有重要地位。隨著實驗技術和方法的不斷提升，暗物質直接探測實驗從上世紀九十年代開始進入快速發展期。我國科學家也積極參與到國際暗物質直接探測實驗中。例如，中國科學院高能物理研究所的一些科學家參加了意大利DAMA實驗組，利用碘化鈉探測器直接探測暗物質粒子。

暗物質直接探測的“中國力量”

2003年，清華大學暗物質實驗組率先啟動了我國自主暗物質直接探測實驗，采用高純鍺探測器直接探測10千兆電子伏特以下的輕暗物質粒子。由于我國當時沒有深地實驗室，清華大學實驗組利用韓國襄陽地下實驗室開展了前期暗物質探測系統關鍵性能測試和研究，證實了低能量閾值高純鍺探測器在輕暗物質直接探測方面具有很強的國際競爭力。

2009年，清華大學聯合雅礱江流域水電開發有限公司，利用雅礱江公司建設錦屏水電站工程中開挖的17.5公里長的錦屏隧道，建設了總容積約為4000立方米的中國錦屏地下實驗室（China JinPing Underground Laboratory，CJPL），其垂直巖石覆蓋最薄處達到了2400米，成為了世界最深的地下實驗室，為我國科學家迅速開展暗物質實驗提供了國際一流的極少宇宙線粒子“干擾”的潔凈地下實驗空間。2010年，隨著中國錦屏地下實驗室的建設和運行，以及國家科技部973項目“暗物質的理論研究和實驗預研”對于暗物質理論和實驗研究的立項支持，我國暗物質研究進入發展快車道。

2009年，清華大學牽頭組建了新的CDEX合作組正式開展基于中國錦屏地下實驗室的暗物質實驗研究。2010年底CDEX合作組率先入駐中國錦屏地下實驗室，利用極低能量閾值高純鍺探測器開展10千兆電子伏特以下的輕暗物質粒子探測研究。2013年，CDEX合作組發表了我國第一個完全自主的暗物質直接探測物理結果，實驗靈敏度達到國際第一陣營水平。2014年，CDEX合作組發表的新結果，不僅給出點電極高純鍺直接探測暗物質國際最靈敏的結果，還采用相同的探測技術，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的發現暗物質存在的實驗證據（CoGeNT論文2011年發表至今，引用數量已經超過900次）。2018年6月，CDEX合作組發表新的暗物質實驗結果，給出了當時暗物質輕質量區間4-5千兆電子伏特能量區間國際最好實驗結果。清華大學領導的CDEX合作組不僅取得了國際領先的物理成果，而且還在高純鍺探測器這一先進半導體輻射探測技術方面取得了自主突破，成功研制出世界上第一款基于金屬氧化物半導體型場效應管前放讀出電子學的高純鍺探測器，打破國際壟斷，完成原始技術創新。

2012年上海交通大學領導的PandaX實驗也入駐中國錦屏地下實驗室，利用液態氙探測器開展暗物質直接探測實驗，主要探測10千兆電子伏特以上的重暗物質粒子。2014年PandaX實驗組發表了該實驗組第一個實驗結果。2017年PandaX實驗組給出了當時100千兆電子伏特能量以上國際最好實驗結果。

國之重器——“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”進行時

錦屏地下實驗室 示意圖

在暗物質實驗研究和地下實驗室建設過程中，我們深刻體會到，地下實驗室，特別是極深地下實驗室，能為重大基礎科學研究提供綜合性的研究平臺，對國家的科學進步具有十分重要的意義。目前，美國、日本和歐洲都在持續推進深地實驗室新建和擴建工作，積極為科學家提供國際一流的實驗平臺，期望本國科學家能夠在激烈的前沿物理問題研究中取得引領地位。

我國自主暗物質直接探測實驗取得的國際矚目的研究成果進一步推動和加速了我國基于深地實驗室的粒子物理前沿問題的研究工作。近些年中國科學家提出了多個重大前沿問題研究計劃，除了暗物質直接探測實驗計劃外，新的研究方向包括了無中微子雙貝塔衰變實驗、核天體物理實驗、太陽中微子實驗、深地巖土力學實驗、深地生物實驗等等。特別是暗物質直接探測實驗和無中微子雙貝塔衰變實驗，是粒子物理核物理領域的稀有事例探測實驗，屬于最前沿的科學課題。每一個研究課題又有多個相互競爭，又相互補充的實驗方案。這些實驗計劃需要更大規模的地下實驗空間和更優化的實驗平臺條件來支撐，才有可能取得具有國際競爭力，甚至國際領先水平和突破性的研究成果。因此近年來國內外科學家都希望中國錦屏地下實驗室能夠進一步擴建，提供更大更優越的地下實驗平臺。

2014年，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司在現有中國錦屏地下實驗室地下空間的附近，利用錦屏隧道施工留下的輔助隧道，開挖和建設了總容積約為30萬立方米的中國錦屏地下實驗室二期地下實驗空間，并于2016年完成錦屏地下實驗室全部地下空間建設工作。中國錦屏地下實驗室，憑借其2400米深的巖石覆蓋厚度、30萬立方米的可用地下空間、每年每平方米約60個宇宙線粒子的通量，以及可以直接開車進入的平行隧道進出方式等特點，成為國際上巖石覆蓋最深、可用空間最大，宇宙線干擾最小、綜合條件世界一流的地下實驗室。

2016年底，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司聯合提出基于中國錦屏地下實驗室二期大型地下空間建設國家重大科技基礎設施——“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”，得到國內外科學界的廣泛支持，被列入國家“十三五”重大科技基礎設施建設指南。2017年“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”正式入選國家“十三五”重大科技基礎設施十個優先啟動項目，成為一項新的“國之重器”。2018年4月“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”項目可行性研究報告通過國家發展和改革委員會和中咨公司組織的專家委員會評審，目前正在開展工程設計，預計2018年底正式開工。

從CDEX合作組2013年發表我國第一個暗物質直接探測實驗成果，到2018年上半年，我國兩個自主暗物質實驗都取得了相應能區國際最好的暗物質探測靈敏度?？梢钥吹剑覈滴镔|研究不僅在較短時間取得了國際先進水平的暗物質研究成果，而且還推動了我國的深地實驗室建設。目前，國際上其他實驗組又發表了新的更好的暗物質探測靈敏度實驗結果。暗物質直接探測實驗國際競爭呈現出膠著狀態，并且將持續一段時間。我國暗物質直接探測實驗研究已經處于國際“并跑”的地位，需要繼續保持目前的狀態，力爭在激烈的國際競爭中取得引領地位。清華大學領導的CDEX高純鍺暗物質直接探測實驗、上海交通大學領導的PandaX液氙暗物質直接探測實驗以及中國科學院高能物理研究所領導的液氬暗物質實驗都獲得了國家重點研發計劃支持，正在中國錦屏地下實驗室二期大型實驗空間中建設暗物質實驗系統，為下一階段開展更大規模的暗物質實驗積極工作。

從我國暗物質直接探測實驗的發展軌跡，以及基于中國錦屏地下實驗室的國家重大科技基礎設施建設歷程來看，國家對重大基礎前沿研究和重大科技基礎設施的持續穩定支持，對于科學家在基礎前沿領域取得國際競爭優勢，形成我國擁有的世界水平的基礎前沿研究高地意義重大。同時在基礎前沿研究項目的牽引下，科學家也會不斷開展尖端技術研究，帶動我國核心技術的突破和跨越，進而通過長期科學和技術的積累，實現創新型國家建設使命。 （岳騫 程建平）


來源：人民網