暗物質(zhì)是宇宙中最難以捉摸的物質(zhì)之一，它占據(jù)了宇宙總物質(zhì)的八成，但科學(xué)家對其粒子知之甚少。外媒稱，中國正大舉進入探測神秘暗物質(zhì)的競賽，未來數(shù)周，一個大型設(shè)施將在四川省一座山的內(nèi)部開始搜集數(shù)據(jù)，尋找暗物質(zhì)的直接證據(jù)。

美國趣味科學(xué)網(wǎng)站2月14日援引《電氣與電子工程師學(xué)會分析》雜志的報道稱，價值800萬美元的粒子和天體物理學(xué)氙氣試驗——熊貓X項目（PandaX，Particle and Astrophysical Xenon的縮寫）位于2500米的地下的一座大理石山內(nèi)。它將于2014年初開始啟動。聯(lián)機之后，熊貓X將加入世界其他地下暗物質(zhì)試驗，包括意大利XENON項目和美國南達科他州的大型地下氙項目（LUX）。

熊貓X項目位于四川省錦屏山地下2500米深處的實驗室，將尋找暗物質(zhì)的直接證據(jù)。

這些試驗的工作原理都是相同的。它們尋找的是弱相互作用重粒子（WIMPS）與“正常”原子核在一大箱液態(tài)氙中撞擊所釋放的粒子。WIMPS即假定的暗物質(zhì)主要成分，它被認(rèn)為構(gòu)成了宇宙總質(zhì)量的80%。

據(jù)了解，PandaX項目計劃由上海交通大學(xué)牽頭，上海應(yīng)用物理研究所、山東大學(xué)、北京大學(xué)、美國密歇根大學(xué)、馬里蘭大學(xué)和雅礱江水電開發(fā)公司聯(lián)合參與。

在幾年前，中國科學(xué)家要探測暗物質(zhì)，一直需要到國外的地下實驗室去進行試驗。直到中國國家自然科學(xué)基金委和科技部聯(lián)合建立了中國的暗物質(zhì)探測“國家隊”，并且由清華大學(xué)和二灘水電站聯(lián)合建立了中國暗物質(zhì)實驗室，在2010年12月12日投入使用。

中國團隊的加入，顯然使世界上暗物質(zhì)的研究者受到了很大的鼓舞。據(jù)介紹，在此前，世界上最好的地下實驗室是位于意大利的GRANSASSO地下實驗室，在那里進行的XENON100實驗，由意大利、美國、日本等國際團隊共同加入，上海交通大學(xué)也是參加實驗的單位之一。

PandaX和其他項目都需要在地下進行，目的是屏蔽大多數(shù)可能產(chǎn)生錯誤信號的輻射源。但PadndaX是其中深度最深的探測器，它上面的巖石主要是大理石，不存在多少輻射材料。在2013年2月出版的《自然》雜志上，位于中國四川錦屏山2500米地下的暗物質(zhì)探測地下實驗室，被認(rèn)為是目前世界上具備最好探測條件的地下實驗室。參與研究的密歇根大學(xué)教授Wolfgang Lorenzon說，PandaX 最大的優(yōu)勢是廉價和不需要多少屏蔽材料。

錦屏山實驗室的山洞墻壁上有涂層以盡量阻斷巖體釋放氡氣，探測器屏蔽最外層用1米厚的聚乙烯層慢化巖石中同位素放射性產(chǎn)生的中子，中間用20厘米的鉛層屏蔽伽馬光子，里層用15厘米的無氧銅屏蔽。

熊貓X項目位于四川省錦屏山地下2500米深處的實驗室，將尋找暗物質(zhì)的直接證據(jù)。

而清華大學(xué)牽頭的另一個中國暗物質(zhì)探測項目CDEX項目也在這一實驗室進行，不同的是，CDEX項目是利用高純鍺探測器探測暗物質(zhì)。

根據(jù)目前最完善的物理學(xué)理論，盡管萬有引力和弱核力存在，但它們只與普通物質(zhì)相互作用。如果弱相互作用大質(zhì)量粒子擊中普通物質(zhì)的原子核，它可能引發(fā)其它粒子發(fā)光。然而粒子的規(guī)模決定了這些現(xiàn)象將極其罕見。

在中國錦屏的地下實驗室內(nèi)部，一座裝有液態(tài)氙氣的巨大水箱維持在極低的溫度下。如果一顆弱相互作用大質(zhì)量粒子擊中內(nèi)部的氙氣原子核，就會發(fā)射出光子和電子，這兩種粒子都將被研究人員探測到。對比兩種信號可以使研究人員精確查找到水箱內(nèi)發(fā)生這一現(xiàn)象的位置，在水箱中心的相互作用比邊緣更加可信。

《電氣與電子工程師學(xué)會分析》雜志稱，PandaX的首個科研成果預(yù)計將于2014年底出現(xiàn)。如果一切按計劃進行，該項目的規(guī)?？赡軘U大，采用更大的氙箱，以增加檢測到撞擊所釋放的粒子的機會。

如果熊貓X或者他們的競爭對手，美國的LUX項目或者意大利的Xenon項目發(fā)現(xiàn)了可靠的可重復(fù)結(jié)果，那么對于基礎(chǔ)物理學(xué)的意義將是非常重大的，它將解決許多天體物理學(xué)和宇宙哲學(xué)領(lǐng)域的謎題。

PandaX計劃的負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)物理系教授季向東曾介紹，PandaX計劃將通過液氙在地下探測暗物質(zhì)粒子。按照計劃，設(shè)備最晚將在2016年升級到1噸液氙的量級?！蹲匀弧冯s志說，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。”季向東教授表示。

據(jù)悉，運用同樣方法進行探測的意大利XENON100試驗，原本被認(rèn)為最有希望出成果，卻在2012年宣布沒能找到暗物質(zhì)，甚至一度懷疑暗物質(zhì)的存在。但該實驗室2013年初宣布，將提前把液氙的量級提升到1噸的量級，使實驗的精度提升100倍。據(jù)上海交通大學(xué)物理系的天體物理學(xué)家王斌教授介紹：“這就像用網(wǎng)捕魚，用一張大網(wǎng)能夠捕捉到更多的粒子，這樣發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的幾率也許會更高。”

季向東教授說，PandaX計劃希望能夠超過XENON100的靈敏度，由此設(shè)備一直處于不斷完善之中。他說，“我們也歡迎國際機構(gòu)加入一起從事研究，共同提高技術(shù)。”

西方國家的暗物質(zhì)研究人員為這項計劃的目標(biāo)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(xué)家Stefan Funk說。他承認(rèn)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)。

PandaX位于四川省錦屏山。圖為移走碎石的輸送帶。

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(xué)前沿問題的野心。PandaX項目是在中國國家自然科學(xué)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。

通過聯(lián)合一些包括美國的高校在內(nèi)的大學(xué)，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。去年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(xué)基金會（NSF）于2010年放棄該想法，使DOE獨自負(fù)責(zé)該實驗室，并承擔(dān)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(xué)的物理學(xué)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(dāng)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(xué)的物理學(xué)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。”