搜寻暗物质的隐秘地下实验室：地下 1400 米，改变对宇宙认知

北京时间 10 月 18 日消息，据国外媒体报道，XENONnT 暗物质实验是一个位于地表以下 1400 米的巨大实验室，利用多达数吨的液态氙和一系列精密的实验仪器来搜寻神秘的暗物质。

▲ 在这张照片的中心可以看到圆柱形“时间投影室”的底部。这个中心腔室内部点缀着 120 个金色的“眼睛”，它们能接收由亚原子粒子（中子）引起的相互作用所发出的光

瑞士苏黎世大学的高级研究员米歇尔・加洛韦正是这项实验计划的参与者。她通常开车去上班，途中会经过一条隧道，然后进入一座山的内部。在实验设施的入口处，警卫会问她要一个秘密密码，“然后，这扇岩石中的大门就打开了，就像詹姆斯・邦德电影里的场景，这超级酷”。

大门的后面是意大利的格兰萨索国家实验室。这是世界上最大的地下实验室，位于地表以下 1400 米深处。在亚平宁山脉的岩石中，人们建造了如同洞穴般的大厅，里面的一台先进机器或许将改变我们对整个宇宙的理解。

通过 XENONnT 实验，加洛韦和她的同事们希望达成一个目标：确定暗物质究竟是由什么组成的。暗物质是指不与电磁力发生作用的物质，即不会吸收、反射或发出光。科学家推测，暗物质约占宇宙总质量的 85%；它们能弯曲光线，将星系维系在一起，防止其彼此分离 —— 物理学家正是从诸如此类的引力效应得知，宇宙中存在着大量暗物质。

其余 15% 的宇宙质量 —— 从无数的恒星、行星到组成人体的细胞 —— 都可以被纳入标准模型，科学家通过这一理论描述了所有已知的基本物质粒子。

暗物质给科学家们提出了一个难题，因为它不符合标准模型。一个被称为超对称理论的观点认为，宇宙中存在着许多难以探测的粒子与我们已知的粒子相互作用。“如果我们能发现支持超对称性的一些证据，那就将为我们提供扩展标准模型的方法，”加洛韦解释道。

▲ 一位工人小心翼翼地在外部探测室的地板上踱步，他穿着特殊的实验服，可以避免污染设备。主探测器位于上方白布后面。操作时，整个空间都充满了水

加洛韦等研究者希望借助 8.6 吨液态氙来揭开暗物质粒子之谜。氙是一种惰性气体，有时被用作全身麻醉剂。加洛韦指出，这种气体极其罕见，所以价格十分昂贵。该团队上一次购买时，其价格大约是每升 12 欧元。按这个价格计算，8.6 吨液态氙将花费 1700 万欧元左右。不过，这些液态氙是分批购买的，而且可以回收利用。

大约有 5 吨保持在零下 100 摄氏度的液态氙会被泵入探测器的时间投影室（time projection chamber，简称 TPC），这是探测器三个腔室中最小的一个，最近刚刚进行了大规模升级。时间投影室可以利用粒子径迹产生电离电子的漂移时间和漂移方向的投影位置，确定径迹的三维坐标。在 XENONnT 实验中，时间投影室被设计用来接收穿越地球的暗物质粒子的微弱信号。研究小组希望探测到的一种理论候选粒子是“大质量弱相互作用粒子”，简称 WIMP。加洛韦表示，XENONnT 应该可以有效地捕捉穿越宇宙的“大质量弱相互作用粒子风”。

如果它按计划工作，WIMP 将进入圆柱形的时间投影室，撞击氙原子的原子核，导致少量的光逃逸。在这个“核反冲”事件中，一些电子也会从氙中释放出来；它们会到达时间投影室的顶部，在与一层氙气体相互作用时发射出更多的光信号。

问题是，尽管实验中使用的光探测器可以探测到所有的物理相互作用，包括背景放射性，但这并不是暗物质存在的证据。不过，通过精确定位发光事件的位置，研究小组可以精确绘制出它们发生的位置。如果适当能量水平上的多种相互作用就发生在时间投影室的中心，即液态氙的中间，那研究人员就可以确定这些信号是由弱相互作用粒子引起的。

在这样的实验中，消除噪声信号是科学家面临的最大挑战之一。氙必须不断净化，以便从探测器的材料中提取出自然积累在液态氙中的物质。两个外部腔室中充满了特殊的盐溶液，会减慢那些干扰 WIMP 探测的粒子的速度，这些外部腔室中额外的光敏装置也可以探测到与 WIMP 无关的相互作用，从而将这些无关的信号剔除掉。想象一下，在风声呼啸的森林里，如果想听到一只小鸟微弱的叫声，那你就需要屏蔽周围的噪音，并且非常仔细地听，才会获得更好的结果。

当然，暗物质也有可能根本就不是由 WIMP 组成的；它可能混合了不同的粒子，也可能是完全超出人类想象的东西。但无论如何，XENONnT 实验应该会让我们更接近这个问题的答案。至少，这个实验项目再次提醒了我们：人类对宇宙的了解依然是如此的少。“就算在我的有生之年，我们仍不知道暗物质是什么，”加罗韦说，“但我认为，它还是为我们提供了一个特殊的视角。”

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