中国将启动“熊猫X”项目 地底2500米深处探索暗物质

暗物质是宇宙中最难以捉摸的物质之一，它占据了宇宙总物质的八成，但科学家对其粒子知之甚少。外媒称，中国正大举进入探测神秘暗物质的竞赛，未来数周，一个大型设施将在四川省一座山的内部开始搜集数据，寻找暗物质的直接证据。

美国趣味科学网站2月14日援引《电气与电子工程师学会分析》杂志的报道称，价值800万美元的粒子和天体物理学氙气试验——熊猫X项目（PandaX，Particle and Astrophysical Xenon的缩写）位于2500米的地下的一座大理石山内。它将于2014年初开始启动。联机之后，熊猫X将加入世界其他地下暗物质试验，包括意大利XENON项目和美国南达科他州的大型地下氙项目（LUX）。

熊猫X项目位于四川省锦屏山地下2500米深处的实验室，将寻找暗物质的直接证据。

这些试验的工作原理都是相同的。它们寻找的是弱相互作用重粒子（WIMPS）与“正常”原子核在一大箱液态氙中撞击所释放的粒子。WIMPS即假定的暗物质主要成分，它被认为构成了宇宙总质量的80%。

据了解，PandaX项目计划由上海交通大学牵头，上海应用物理研究所、山东大学、北京大学、美国密歇根大学、马里兰大学和雅砻江水电开发公司联合参与。

在几年前，中国科学家要探测暗物质，一直需要到国外的地下实验室去进行试验。直到中国国家自然科学基金委和科技部联合建立了中国的暗物质探测“国家队”，并且由清华大学和二滩水电站联合建立了中国暗物质实验室，在2010年12月12日投入使用。

中国团队的加入，显然使世界上暗物质的研究者受到了很大的鼓舞。据介绍，在此前，世界上最好的地下实验室是位于意大利的GRANSASSO地下实验室，在那里进行的XENON100实验，由意大利、美国、日本等国际团队共同加入，上海交通大学也是参加实验的单位之一。

PandaX和其他项目都需要在地下进行，目的是屏蔽大多数可能产生错误信号的辐射源。但PadndaX是其中深度最深的探测器，它上面的岩石主要是大理石，不存在多少辐射材料。在2013年2月出版的《自然》杂志上，位于中国四川锦屏山2500米地下的暗物质探测地下实验室，被认为是目前世界上具备最好探测条件的地下实验室。参与研究的密歇根大学教授Wolfgang Lorenzon说，PandaX 最大的优势是廉价和不需要多少屏蔽材料。

锦屏山实验室的山洞墙壁上有涂层以尽量阻断岩体释放氡气，探测器屏蔽最外层用1米厚的聚乙烯层慢化岩石中同位素放射性产生的中子，中间用20厘米的铅层屏蔽伽马光子，里层用15厘米的无氧铜屏蔽。

熊猫X项目位于四川省锦屏山地下2500米深处的实验室，将寻找暗物质的直接证据。

而清华大学牵头的另一个中国暗物质探测项目CDEX项目也在这一实验室进行，不同的是，CDEX项目是利用高纯锗探测器探测暗物质。

根据目前最完善的物理学理论，尽管万有引力和弱核力存在，但它们只与普通物质相互作用。如果弱相互作用大质量粒子击中普通物质的原子核，它可能引发其它粒子发光。然而粒子的规模决定了这些现象将极其罕见。

在中国锦屏的地下实验室内部，一座装有液态氙气的巨大水箱维持在极低的温度下。如果一颗弱相互作用大质量粒子击中内部的氙气原子核，就会发射出光子和电子，这两种粒子都将被研究人员探测到。对比两种信号可以使研究人员精确查找到水箱内发生这一现象的位置，在水箱中心的相互作用比边缘更加可信。

《电气与电子工程师学会分析》杂志称，PandaX的首个科研成果预计将于2014年底出现。如果一切按计划进行，该项目的规模可能扩大，采用更大的氙箱，以增加检测到撞击所释放的粒子的机会。

如果熊猫X或者他们的竞争对手，美国的LUX项目或者意大利的Xenon项目发现了可靠的可重复结果，那么对于基础物理学的意义将是非常重大的，它将解决许多天体物理学和宇宙哲学领域的谜题。

PandaX计划的负责人、上海交通大学物理系教授季向东曾介绍，PandaX计划将通过液氙在地下探测暗物质粒子。按照计划，设备最晚将在2016年升级到1吨液氙的量级。《自然》杂志说，这意味着该实验将会比其他的暗物质研究进展更快。“我们想要证明世界一流的暗物质研究在中国是可能的。”季向东教授表示。

据悉，运用同样方法进行探测的意大利XENON100试验，原本被认为最有希望出成果，却在2012年宣布没能找到暗物质，甚至一度怀疑暗物质的存在。但该实验室2013年初宣布，将提前把液氙的量级提升到1吨的量级，使实验的精度提升100倍。据上海交通大学物理系的天体物理学家王斌教授介绍：“这就像用网捕鱼，用一张大网能够捕捉到更多的粒子，这样发现暗物质的几率也许会更高。”

季向东教授说，PandaX计划希望能够超过XENON100的灵敏度，由此设备一直处于不断完善之中。他说，“我们也欢迎国际机构加入一起从事研究，共同提高技术。”

西方国家的暗物质研究人员为这项计划的目标感到兴奋，但有些人却质疑这将导致重复工作。“将我们的经费花在不同的直接检测实验上并不值得。”美国加利福尼亚州SLAC国家加速器实验室的天体物理学家Stefan Funk说。他承认他的观点较为偏颇――他通过在空中寻找可能的γ射线信号来间接探测暗物质。

PandaX位于四川省锦屏山。图为移走碎石的输送带。

多个液氙实验的出现反映了暗物质探测研究中的混战，以及各国争相解决物理学前沿问题的野心。PandaX项目是在中国国家自然科学基金委员会和科技部资助相关研究团队时产生的。该团队在经过2年的建设后，于2011年在锦屏山的地下设立了一个小型实验室。

通过联合一些包括美国的高校在内的大学，中国在PandaX项目上拨款1500万美元，然而该研究团队仍希望有更多的国际合作伙伴。去年1月，PandaX向尚未与中国的基金会达成任何协议的美国能源部（DOE）申请合作，但遭到拒绝。而DOE正在资助XENON合作之外的一个研究团队：在南达科他州的霍姆斯特克金矿进行的大型地下氙（LUX）实验。

霍姆斯特克曾是一个大型地下实验室的候选场所。但是该实验室的资助者，美国国家科学基金会（NSF）于2010年放弃该想法，使DOE独自负责该实验室，并承担为防止矿山发生山洪而进行持续维护的全部花费。

芝加哥大学的物理学家Juan Collar称，LUX可能是所有氙实验中最脆弱的一个。他正在进行一些小型实验来探测更轻的WIMPs。“目前的资助情况很不好。”他说。DOE已宣称计划将于10月减少资助大型暗物质实验室的数量，LUX首当其冲。XENON100是通过NSF获得资助的，因此将会在这个筛选过程中幸存。

LUX发言人、罗德岛布朗大学的物理学家Rick Gaitskell称，美国需要自己的地下实验室来保持在暗物质研究领域的位置。他问道：“为什么我们要放弃领先地位而将所有的实验都移到海外呢？”

PandaX很可能成为世界上最好的地下实验室，季向东称，合作是大势所趋。国际组织不可能同时资助两个以上的使用大型探测器的氙实验，他说，美国需要抉择放弃一些实验。同时，很多团队共同来促进该技术的想法并不坏。“这将有助于建立最终的暗物质实验。”