國際社會關(guān)注中國開展最深暗物質(zhì)試驗
——全球合作或已勢在必行
來源：中國科學報 2013-2-25 張冬冬
在地下1000多米處,，物理學家正使用液氙設(shè)下陷阱來捕捉獵物：假想中的暗物質(zhì)粒子——它們在穿越地球的過程中有極少數(shù)可能與普通物質(zhì)發(fā)生作用,。每個陷阱的建設(shè)需要1000萬美元，然而該實驗可以探測到宇宙中暗物質(zhì)85%的組成部分，因此花費相對較少,。不過，在地球上設(shè)置4個這樣的陷阱真的有必要嗎,？
據(jù)《自然》雜志報道,，近期，中國的PandaX實驗加入到意大利,、美國和日本的研究行列中,。該實驗擁有世界上最深的實驗室，位于四川省錦屏大理巖山體以下2500米處,。PandaX將于今年開始利用120千克液氙探測暗物質(zhì),，研究團隊希望可以在2016年將使用量提升至1噸，這意味著該實驗將會比其他的暗物質(zhì)研究進展更快,。“我們想要證明世界一流的暗物質(zhì)研究在中國是可能的,。”PandaX項目的發(fā)言人、上海交通大學物理學家季向東表示,。
西方國家的暗物質(zhì)研究人員為這項計劃的目標感到興奮,，但有些人卻質(zhì)疑這將導(dǎo)致重復(fù)工作。“將我們的經(jīng)費花在不同的直接檢測實驗上并不值得,。”美國加利福尼亞州SLAC國家加速器實驗室的天體物理學家Stefan Funk說,。他承認他的觀點較為偏頗——他通過在空中尋找可能的γ射線信號來間接探測暗物質(zhì)。
多個液氙實驗的出現(xiàn)反映了暗物質(zhì)探測研究中的混戰(zhàn),，以及各國爭相解決物理學前沿問題的野心,。對星系旋轉(zhuǎn)和宇宙背景輻射的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙中大約85%的物質(zhì)之間都存在引力,，但并不會輻射光,。主要理論表明，這樣的暗物質(zhì)以弱作用大質(zhì)量粒子（WIMPs）的形式存在,。它們?nèi)绻嬖?，會偶爾與普通物質(zhì)的原子核相撞擊，因此基本上會在一大池像液氙這樣的原子致密材料中被探測到——當與原子核相撞時,，該材料會產(chǎn)生光,。
在地下進行該實驗，是為了減少與WIMPs相仿的宇宙射線的干涉,。至今,，科學家還沒有什么發(fā)現(xiàn),。位于意大利阿奎拉附近的實驗XENON100取得了最多的進展，至今運行225天,，并未探測到WIMP信號,，排除了質(zhì)量更大、相互作用更強的粒子存在的可能性,。在未來 幾個月中,，XENON合作組織會開始將液氙使用量提升至1噸多，其探測靈敏度將會提高100倍,。
PandaX項目是在中國國家自然科學基金委員會和科技部資助相關(guān)研究團隊時產(chǎn)生的,。該團隊在經(jīng)過2年的建設(shè)后，于2011年在錦屏山的地下設(shè)立了一個小型實驗室,。盡管季向東認為在中國中部進行實驗存在很多挑戰(zhàn),，但PandaX項目仍希望在今年年底能夠以更輕的WIMPs來匹敵XENON100現(xiàn)在的靈敏度。日前,，該團隊剛剛由于液氮供應(yīng)的延遲而導(dǎo)致不能進行冷卻實驗,。但是由于PandaX比其他實驗室的位置深1000米，它更容易屏蔽宇宙射線,，這將使其更容易升級液氙使用量,。
通過聯(lián)合一些包括美國的高校在內(nèi)的大學，中國在PandaX項目上撥款1500萬美元,，然而該研究團隊仍希望有更多的國際合作伙伴。1月,，PandaX向尚未與中國的基金會達成任何協(xié)議的美國能源部（DOE）申請合作,，但遭到拒絕。而DOE正在資助XENON合作之外的一個研究團隊：在南達科他州的霍姆斯特克金礦進行的大型地下氙（LUX）實驗,。
霍姆斯特克曾是一個大型地下實驗室的候選場所,。但是該實驗室的資助者，美國國家科學基金會（NSF）于2010年放棄該想法,，使DOE獨自負責該實驗室,，并承擔為防止礦山發(fā)生山洪而進行持續(xù)維護的全部花費。
芝加哥大學的物理學家Juan Collar稱,，LUX可能是所有氙實驗中最脆弱的一個,。他正在進行一些小型實驗來探測更輕的WIMPs。“目前的資助情況很不好,。”他說,。DOE已宣稱計劃將于10月減少資助大型暗物質(zhì)實驗室的數(shù)量，LUX首當其沖,。XENON100是通過NSF獲得資助的,，因此將會在這個篩選過程中幸存,。
LUX發(fā)言人、羅德島布朗大學的物理學家Rick Gaitskell稱,，美國需要自己的地下實驗室來保持在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的位置,。他問道：“為什么我們要放棄領(lǐng)先地位而將所有的實驗都移到海外呢？”
PandaX很可能成為世界上最好的地下實驗室,，季向東稱,，合作是大勢所趨。國際組織不可能同時資助兩個以上的使用大型探測器的氙實驗,，他說,，美國需要抉擇放棄一些實驗。同時,，很多團隊共同來促進該技術(shù)的想法并不壞,。“這將有助于建立最終的暗物質(zhì)實驗。”
