說起暗物質，大家可能都不陌生。最近上映的《復聯3》中，滅霸收集的六顆無限寶石中，就有這麼一顆可以把普通物質變成暗物質的真實寶石。在《雷神2》中，黑暗精靈就運用了這顆寶石，還差點毀滅了宇宙。
那麼，暗物質真有這麼可怕嗎？它為什麼會發“暗”？
生活中，人們能看得見各種物質，是因為這些物質攜帶了電子，能夠“發光”，而近一步觸摸這些物質，你就能感知它們的存在，這是由於它們產生了電磁場的相互作用。
但與之相對的，暗物質不帶電荷，且缺少電磁場的相互作用，無法通過電磁波進行觀測，就像是“幽靈”一樣無法被“感知”。
然而就是這樣的東西，卻被科學家認為是宇宙大爆炸的產物，決定了宇宙的演化與未來。
而且，在現有的科學理論模型中，科學家能解釋的普通物質只有不到5％，而從未探測到的暗物質與暗能量佔宇宙構成的95%。所以，暗物質與暗能量對完善現有的基礎物理學有重要意義。
暗物質與暗能量被認為是本世紀物理學上的兩朵“烏雲”。要知道，上個世紀物理學出現的兩朵烏雲，導致了相對論和量子力學的誕生，影響至今。所以“什麼是暗物質”一直被列為在21世紀必須要解答的首要科學問題。
暗物質雖然距離人類生活還比較遙遠，研究的價值和意義短期內還無法凸顯，但揭開暗物質之謎，毋庸置疑將帶來物理學的又一次革命。
（暗物質和暗能量佔據了宇宙的大部分）
（二）錦屏地下實驗室：世界上最“乾淨”的地下實驗室
目前物理學家普遍認為，暗物質雖然質量很大，但其作用力卻微乎其微，跟普通物質幾乎不產生相互作用。也就是說，即使每天有數不盡的暗物質從你身體穿過，你也無法感知。所以，想要直接探測到暗物質是很困難的。
為了直接探測到暗物質，科學家設計了巧妙的實驗，讓原子核與暗物質發生碰撞，通過探測碰撞產生的信號，來研究暗物質。
但在地面上，不僅有無處不在的宇宙射線，還有生活中產生的各種輻射，這些都嚴重干擾了暗物質的探測，使得碰撞產生的信號很難有效地被鑑別。
而處於極低輻射環境的極深地下實驗室，能最大程度地屏蔽宇宙射線等的影響，讓探測器探測到有效的信號，是開展暗物質探測的重要研究場所。
（中國首個極深地下實驗室）
地下實驗室能夠有效地屏蔽宇宙射線，其奧秘就在於它所處的岩石層。
錦屏地下實驗室所處岩石層的天然放射性非常低，一些主要岩石放射性低於地表正常環境的幾十分之一到幾百分之一。而且實驗室垂直岩石覆蓋厚度達2400多米，能夠屏蔽絕大多數的宇宙射線。
所以，該實驗室的宇宙射線通量，遠遠少於加拿大岩石覆蓋厚度2000米的斯諾實驗室，大約相當於地面水平的億分之一，可以說這裡是世界上最“乾淨”的地下實驗室。
（地下實驗室位置和屏蔽層結構）
所謂最“乾淨”，是指錦屏地下實驗室輻射最少、雜質最少。為了這個地下實驗室更 “乾淨”，實驗室外層還增加了特殊的防護：1米厚的聚乙烯材料（阻攔和吸引中子）、20釐米厚的鉛層（屏蔽外部的伽馬射線）、20釐米厚的含硼聚乙烯（進一步吸收剩餘中子）和10釐米厚的高純無氧銅（阻擋鉛材料本身及外部其他材料中的伽馬射線）。經過這些防護後，可以說，錦屏地下實驗室已經屏蔽掉了目前能想到的一切輻射源。
正是這樣的防護水平，加上得天獨厚的地下實驗條件，讓中國科學家獲得了許多關於暗物質研究的寶貴數據，使得中國對於低質量區暗物質粒子的探測靈敏度第一次達到了國際一流水平，確立了中國在國際暗物質探測領域內第一陣營的地位，極大地提升了中國在暗物質研究領域的研究水平和國際影響力。
（三）地下實驗室是怎麼“捕捉”暗物質的？
一般來說，暗物質探測主要有3種方法，除了直接探測，還有間接探測和加速器實驗。
間接探測就是探測暗物質粒子發生衰變或者湮滅之後產生的穩定的高能粒子，這一類探測通常是在高空或者太空進行的，如中國2015年年底發射的暗物質探測衛星“悟空”號。
加速器實驗則是利用加速器將標準模型粒子加速到高能量後對撞，通過測量對撞丟失的能量來反推暗物質的各種性質。
（2015年中國就發射了暗物質粒子探測衛星“悟空”號，是目前尋找暗物質的另外一種方法）
目前，中國錦屏地下實驗室有兩個暗物質實驗項目組，一個是清華大學領導的CDEX（中國暗物質實驗）高純鍺暗物質實驗，一個是上海交通大學領導的PandaX（熊貓計劃）液氙暗物質實驗項目。這兩個項目組採用的都是直接探測的方法，就是測量暗物質粒子直接碰撞普通物質引起的反衝核的數量和能量。
其中，清華大學項目組的核心裝置高純鍺探測器是世界上首個公斤量級點電極高純鍺探測器，可在質量小於10GeV的暗物質研究熱點能區開展輕質量區暗物質探測研究。2014年，CDEX實驗組獲得了在10GeV以下能區裡同類探測器最靈敏的實驗結果，排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質存在區域。
而上海交通大學項目組採用液氙技術，也取得了很多突破成果。
液態氙是一種冷物質，重量是水的3倍，其作用是探測微弱的相互作用粒子，當暗物質跟氙原子發生碰撞時，氙原子就會發光，同時也會產生自由電子。
上海交通大學項目組採用液氙技術，就是在液態氙容器內想方設法地探測到這些微弱的光和自由電子，並且排除其他信號造成的誤判，從而捕捉到“暗物質”。
2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物質探測器運行的第一個物理結果公佈，在3.3萬公斤/天的曝光量下，未發現暗物質粒子蹤跡，不過探測器對可能的暗物質候選對象給出了最新的限制，極大地縮小了暗物質存在的範圍。
在過去的20年裡，像這類前沿的基礎科學問題，主角還只是歐美的科學家，中國科學家想要從事相關研究，只能是到外國去，參與國外的科研項目。而現在，中國已不甘於在這類研究中充當西方研究機構的配角，正準備以大膽的步伐顛覆粒子物理研究領域的格局。
（四）從一期到二期工程：越來越“黑”，也擁有更多的黑科技
在錦屏地下實驗室之前，中國並沒有自己的地下實驗室。在錦屏上設立中國第一個極深地下實驗室，可以說是借了錦屏山隧道工程的光。
實驗室所在的錦屏山隧洞工程總共包括兩條交通隧洞、4條長度相當的引水隧洞和1條排水隧洞，是世界上規模最大的水工隧洞群，需要克服高地應力、高壓湧水等難題。
其中難度最大的兩條交通隧道在2008年實現雙洞貫通（長17.5公里），隧洞的埋深大於1500米的洞段佔隧道總長的73.1%，最大埋深將近2400米，是中國第一、世界第二埋深的交通隧道，可以說是中國在洶湧的雅礱江上創造的工程奇蹟。
錦屏地下實驗室一期就是利用了這條交通隧道，在其側面開挖長40米，寬、高各為6米的空間。相比與國外其他“脫胎”於礦井的地下實驗室，這裡的交通更為便利，不用坐電梯上下，直接搭乘汽車就能到達，而且在隧洞基礎上修建，節省了大量的資金、設備等的投入，也讓這個實驗室的初期投入得到了合理的控制。
當然，“省事”並不代表效果不好，隧道上方為厚達2400米的山體岩石，使得這個極深實驗室的實驗環境具有天然的優勢，與國外動輒數億建設經費的地下實驗室相比，錦屏地下實驗室可以說是花小錢辦大事的典型了。
（地下實驗室一期建立在隧道的一側）
目前在建的二期工程就是打算在一期4000立方米的基礎上擴容到12萬立方米。二期所在的位置，在實驗室一期往裡500米，由4條子隧道構成。二期的整體目標是朝著“更黑”而去（外界影響輻射本底值更低），所以，即使是修建實驗室用的水泥，其輻射量都要事前用伽馬譜儀進行嚴格測定，使其限定在一定範圍值以內。
二期工程完工以後，新的儀器平臺也將投入使用，比如中國自主研製的高純鍺探測器，該系統將展開噸量級的高純鍺陣列探測器暗物質實驗，有望在現有的基礎上將探測靈敏度進一步提升兩個量級。而這一探測器陣列需要在液氮環境下工作，儲存液氮的液氮罐就在二期一個6層樓深的“基坑”裡。
（地下實驗室一、二期示意圖）
錦屏地下實驗室的二期工程包括4組共8個實驗室及其輔助設施，能夠容納更多的深地科學領域實驗項目同時開展。而且這個實驗室是面向世界開放的，對歐美的相關研究人員而言，這個實驗室就是開展此類研究的天堂，有一些美國物理學家甚至表示打算留在那裡工作。
二期工程的完工和投入使用，將使得中國極深實驗室的研究能力提升一個臺階，對暗物質等前沿科學問題的研究也會有新的飛躍。
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