季向東：“與世隔絕”中追尋暗物質蹤跡

張懿

走過兩道沉重的不銹鋼門，隧道內的氣味、聲音和塵土都被隔離在外，錦屏地下實驗室終于展現(xiàn)在記者面前。這是一個約40米長、6.5米寬、7米高的方方正正的空間。

錦屏地下實驗室目前正在同時進行兩項實驗。一是上海交大牽頭的PandaX，該研究嘗試以氙原子核為“樹”，等候暗物質的撞擊；二是清華大學牽頭的CDEX實驗，他們的靶子是高純度鍺。

除去公共設備空間，實際上交大PandaX實驗真正占據(jù)的面積只不過60多平方米，大約也就是一套一室一廳，里面塞得滿滿當當。

身處地下2.5千米的地方，其實并不能在“居住條件”上提太多要求。為了盡可能利用空間，研究者自己搭了一個閣樓，把實驗室變成了一個“復式”。

實驗室里最引人注目的，無疑是一個2米多高的銅制容器，它就像一個超大的茶杯，外面包裹著極厚的一層白色屏蔽體。

在它旁邊，幾位年輕的博士生正在調試一個齊胸高的不銹鋼制圓柱體容器。季向東告訴記者，這就是實驗的核心—液氙探測器。等調試好，這個探測器就將被整體起吊，裝進銅制容器與白色屏蔽體一起構筑而成的“碉堡”里，開始收集數(shù)據(jù)。

簡直如“大海撈針”

要大略解釋清楚暗物質實驗的原理并不很難。宇宙空間中的暗物質粒子穿透大山的屏蔽后，如果幸運，可能會有一顆粒子與探測器里的某一顆氙原子核相撞，發(fā)光，進而被探測器內部的光電感應系統(tǒng)捕捉到。由此產(chǎn)生的一組數(shù)據(jù)，會被傳輸?shù)接嬎銠C中，留給日后分析。

其實，這個實驗的關鍵，是不斷地做乘法和除法：乘法，就是不斷提高儀器靈敏度，盡可能搜集更多的數(shù)據(jù)；除法，就是在搜集到的海量數(shù)據(jù)中，盡可能去除干擾。

為了提高撞擊的概率，PandaX實驗使用了液態(tài)的氙。液氙可能是比重最大的透明液體之一，大約是水的三倍。而在探測器內的光電感應裝置，其靈敏度之高，甚至不會放過區(qū)區(qū)一個光子（一只白熾燈泡每秒大約制造1000億個光子）。

為了降低噪音，由10厘米厚的銅、60厘米厚的聚乙烯，以及20厘米厚的鉛塊組成的屏蔽堡壘，能夠將實驗室中的中子、伽瑪射線等阻擋在探測器外。別忘了，實驗室頭頂還有2500米的巖層，已經(jīng)把宇宙射線的干擾縮小到了地表的一億分之一。

但光靠物理隔離，還不足以將噪音完全去除，即使在這樣的環(huán)境中，各種與暗物質無關的輻射物每秒還會與探測器中的氙原子核發(fā)生成百上千次碰撞，這些干擾信號要靠電腦來自動甄別。季向東告訴記者，電腦的選擇大約是“千里挑一”—最終值得PandaX實驗裝置記錄的發(fā)光事件，大約每秒只有1次。累計起來，每年就是3000萬個左右。

高山屏蔽、層層隔離、千里挑一，而后在整整一年中篩選出的3000萬次發(fā)光事件中，有多少可能會與暗物質真正有關？

季向東說，很可能不會超過1個。

而要最終確認它就是暗物質碰撞的產(chǎn)物，還有一個艱難的自我挑戰(zhàn)過程：“我們必須窮盡一切方法，直到現(xiàn)有的理論都沒法解釋它，這才能說，我們發(fā)現(xiàn)了暗物質?！?/p>

大海撈針，古人發(fā)明這個詞的時候，也許想不到會如此貼合暗物質實驗。

“高性價比”的研究

上海交大的PandaX團隊，目前正在組建一個100公斤級的液氙探測裝置，為實現(xiàn)這個目標，整個探測裝置最終要注入約300公斤的氙。

市場上，液氙的價格是每公斤約1萬元。也就是說，光這些氙的價值就在300萬元左右。

但氙遠不是最貴的實驗材料。探測器內的高靈敏度光電管，別看大小只相當于一個汽水瓶蓋，但每個的價值都抵得上一輛汽車。

光電管很脆弱，如果溫度控制不當，探測器內的液氙沸騰氣化，氣壓迅速升高，很容易讓光電管報廢。所以，這個實驗需要一個幾乎不能出錯的自動冷卻系統(tǒng)，使探測器內部永遠保持在大約-100℃的低溫狀態(tài)下。

所以，在錦屏山實驗室中，PandaX項目的終極冷卻方案是一套由幾部手搖吊車、幾個大桶和足夠多的液氮組成的系統(tǒng)。這個純機械的裝置能保證在電力供應中斷后也可以繼續(xù)運轉。

實驗中的昂貴儀器還有許多。隨便挑出一臺小小的氣體分析儀，就價值幾十萬元。

許多細小的配件也很特別，都比日常生活中的同類產(chǎn)品貴上十倍，包括連接管道時用的墊圈，看似就一個普通的銅片，但它有能力在-200℃的低溫里保持管道接口的密封性。甚至用來給探測器擦灰的“紙巾”都是專用的—這類紙不會掉落任何細小的紙屑。

不考慮實驗室的開挖、建筑投入，整套探測裝置的成本在數(shù)千萬元。

這算貴嗎？季向東沒有直接回答。他說，他認可一句話：中國的基礎研究要“有所為、有所不為”。因為“這表明，我們國家現(xiàn)在雖然不能干所有事，但在現(xiàn)有的經(jīng)濟基礎下，可以干一些事”。

而暗物質實驗就是在當下“可以干的一件事”。

其實，與其他大型物理實驗裝置相比，暗物質探測要便宜得多。歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC，總投資超過40億美元；丁肇中博士主導的阿爾法磁譜儀實驗投入達20億美元。

但更重要的是，最近10年，越來越多的天文觀測證據(jù)支持暗物質的存在。整個物理學界都漸漸認為，暗物質研究可能會在未來10年內取得歷史性突破。而且，歐美日等國外科學家已經(jīng)在地下實驗室開展了一段時間的暗物質探測工作，他們?yōu)槿虻耐蟹e累了經(jīng)驗。

“雖然人們一直沒找到暗物質，但科學家相信它是有可能被找到的，而且工程技術已經(jīng)可以支撐這種嚴肅的探測?！奔鞠驏|說，用這樣的投入規(guī)模，去嘗試探索一個可能極有突破性的科學發(fā)現(xiàn)，可以說，“性價比”非常高。

更何況，錦屏山底的這個實驗室，其天賦條件又是如此獨一無二。它是目前埋藏最深的實驗室，這使得室內的宇宙射線噪聲指標僅有全球最著名的地下實驗室—意大利格蘭薩索（GranSasso）的1/300。而與在美國杜賽爾地下實驗室舉行的LUX實驗相比，錦屏山的交通物流與保障條件也要優(yōu)異得多。杜賽爾實驗室位于南達科他州一處廢棄的礦井里，上下全靠升降機，這限制了大型設備的安裝進出。但在錦屏山，重型卡車可以直接開到實驗室門口。此外，杜賽爾實驗室必須日復一日地抽水以防被淹，單單此項，每年耗資就達上千萬美元，但錦屏地下實驗室沒有這個支出。

《自然》雜志的新聞板塊曾專門刊文，介紹錦屏地下實驗室的工作，并認為錦屏山“很可能成為世界上最好的地下實驗室”。這也從側面進一步支持了中國學者的選擇。

實際上，暗物質實驗越深入，所要求的靈敏度越高，就越需要更厚的巖石來屏蔽宇宙射線。所以，也許錦屏地下實驗室在自然天賦上的優(yōu)勢，會隨著研究的推進在未來一步一步展現(xiàn)。

目前，PandaX項目得到了國家自然科學基金、科技部和教育部的資助。但季向東依然缺錢，依然在努力省錢。每次出差來錦屏，他都會和常駐當?shù)氐牟┦可黄鹱—M小的營地宿舍，和水電工人吃同一個食堂。

他必須精打細算，因為接下來的幾年中，他必須用有限的經(jīng)費，持續(xù)不斷地將暗物質實驗的精度推往一個又一個的極限。而且沒人知道，極限究竟應該在哪里。

前沿科學也很瑣碎

在錦屏山，記者與上海交大課題組相處了三四天。以一個外行的眼光來看，這個工作既前沿，也充滿了瑣碎。

大量的時間耗費在了儀器的調試、查錯、安裝，然后是再調試、再查錯上。其中一個工序是查漏—拿著探針，在注滿氙的探測器表面，慢慢檢查是否有氙氣的漏點。這次，他們查出的泄漏值是極其微弱的0.003毫升/秒。

之后，僅僅要將探測器從調試位置吊進“屏蔽堡壘”，就要花兩天。探測器通過許多接口連接著各種管線，就像臍帶和神經(jīng)。每次吊裝，所有接口都會拆開，再接上。有時候，僅僅為了接上兩根管子，組成一根“臍帶”，就可能花上一個小時。因為這些接口都要求在高壓、低溫的條件下進行，以保證絕對的密封。

吊裝就位后，就要往探測器里注入氙氣。而為保證氙氣的純凈度，加氙前，首先得用特殊的真空泵，將探測器內的所有分子吸走。抽真空，起碼得三天。

暗物質實驗挑戰(zhàn)的不僅是物理，似乎也在考驗人在精準度、穩(wěn)定性、耐心以及不犯錯等方面的極限。任何通常條件下微不足道的閃失、誤差，在這里都可能被劇烈放大。因為科學家要捕捉的，是最微小的粒子產(chǎn)生的最微弱的信號。因此，必須用最專業(yè)的精神來面對最瑣碎的一切。

季向東向記者講述了一個曾讓他冒汗的經(jīng)歷。暗物質探測器的“心臟”，密布著一百多個昂貴又極端靈敏的光電管。此前，從未有人發(fā)現(xiàn)其中可能存在隱患，直到有一組日本科學家在他們自己的暗物質實驗里發(fā)現(xiàn)，光電管背后的那層極薄的電鍍鋁膜，可能存在極其微量的放射性。

如果不能去掉這部分放射性干擾，日本小組的工作就很難繼續(xù)。此前，他們的研究處在世界最前列的位置。由于光電管是極端精密的商業(yè)化產(chǎn)品，實驗室無法修補，更不可能自制。唯一的出路，就是試著在容忍這些干擾的前提下，想辦法將被“污染”的數(shù)據(jù)排除掉。

可惜的是，日本的方案無法甄別光電管的干擾和暗物質的信號，他們陷入了泥沼。

幸運的是，PandaX實驗可以剔除這部分噪聲。也就是說，整套裝置不用另起爐灶。

也許這就是科學。哪怕用盡所有努力，仍然需要一點運氣。

當然，運氣不可能永遠站在你這邊。記者在錦屏山時，恰逢探測器調試完畢，開始吊裝。季向東說，他希望吊裝就位后，就可以開始“守株待兔”、搜集數(shù)據(jù)了。可他也承認，實際上這已經(jīng)是PandaX裝置在半年多時間里第十次重復這個動作了。之前，每回吊裝，研究團隊都希望是“最后一次”。不過，每次都最終會遇到一些意外的小問題，而不得不重新將探測器移出屏蔽體，拆開檢測。

所以，沒人能保證，這會是“最后一次”調試。

季向東說，暗物質實驗有其特殊性。因為這一整套裝置中的多數(shù)組件，都是老師和學生們自己動手DIY的。這與節(jié)約成本無關，因為實驗要用到的大部分組件，根本沒有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品可買。

最簡單的如探測器外的保溫套，就是博士生們像納鞋底一樣，一針一線，用一層層保溫紙縫出來的。連商業(yè)化程度非常高的氙氣都無法“拿來就用”。因為實驗對精度要求太高，所以，交大在校園里自制了一個凈化塔，將買來的高純度氙再行深度過濾，將純度再提高了4個數(shù)量級。

2012年8月，PandaX的整套實驗裝置從上海運抵錦屏山，之前，這套極其復雜而精密的裝置已經(jīng)在交大校園的實驗室里接受了反復的優(yōu)化和測試?？梢韵胂?，DIY靠的就是手藝，但全手工就免不了誤差。

所以，必須耐心，同時保持信心。

眾人拾柴

為了準備暗物質實驗，中國科學家等了很久。

此前，因為缺乏自己的地下實驗室，國內的研究團隊只能加入國外的暗物質課題組。但在國外的項目中，中國團隊幾乎不可能獲得主導地位，多數(shù)是扮演實驗中某個技術支持的角色。

因此，當錦屏山隧道被確認具備建設國際級實驗室的一切條件后，國內科學界當然是竭盡所能，讓這個夢想成真。整個過程不必細表，但清華以及交大都付出了大量的努力，雅礱江水電公司也給予了積極的回應。隨著實驗室的土建部分完工，初步具備實驗的條件后，錦屏山自然就對那些有志于暗物質研究的人們構成了強大的吸引力，一批原先在海外的學者來到中國，來到雅礱江邊。

就拿PandaX實驗來說，季向東的團隊是高度國際化的，許多人都曾在國際一流暗物質實驗室工作并取得過不俗的成績。目前的研究骨干中，包括一批從中國赴海外留學的優(yōu)秀青年學者，更值得一提的是曾任Xenon100實驗技術總監(jiān)的卡爾·吉伯尼。

Xenon100由美國哥倫比亞大學主導，依托意大利格蘭薩索地下實驗室工作。這個團隊曾長期在全球液氙暗物質探測中居領先地位，而卡爾·吉伯尼就是Xenon100在工程技術環(huán)節(jié)的靈魂人物。目前，他已受聘于上海交大開展全職工作。

季向東曾向《自然》雜志表示：“我們想證明，國際一流水平的暗物質研究也可能出現(xiàn)在中國?！泵鎸Ρ緢笥浾撸忉尩?，這句話一方面是給所有人的一個激勵，另一方面是真的懷有信心。

卡爾的加盟，使得PandaX“站上了前人的肩膀”。季向東說，PandaX充分汲取了Xenon100的經(jīng)驗教訓，在技術路線上更進了一步。如果順利，它可以更方便、快速地用于探測暗物質的液氙用量，從100公斤上升到噸級—氙的用量決定了探測器的靈敏度。氙用得越多，與暗物質碰撞的概率也越大，但整個裝置的維護難度也更高。

在PandaX的團隊里，一批二十四五歲的博士研究生也許是最幸福也最辛苦的人。在這樣的年紀直接參與一流的物理實驗當然幸福，但長期駐扎在偏遠山區(qū)也有許多辛苦。從2012年8月到2013年4月，肖夢嬌只在過年時回家，離開了不到2周；在此之前，為了將實驗器材從上海押運到錦屏山，隨車的談安迪三天三夜沒合眼。

在錦屏山，博士生們根本沒有休息日，因為實驗室每天都有事要忙。但他們同時也告訴記者，他們“說不出理由地喜歡物理”。

不得不提的還有錦屏當?shù)氐慕ㄔO者。沒有雅礱江水電公司的支持，科學家們根本不可能在大山里得到一個實驗空間；而離開后勤，地下實驗室只是一個黑暗的孤島。

季向東說，為了建立實驗環(huán)境，雅礱江公司和清華大學僅為搭建專用的通風管路，投入資金就將近500萬元。如果通風不暢，巖石釋放的氡氣會讓實驗室里的放射性水平迅速超標。

一路采訪中，記者也不斷體會著基層勞動者對研究者的感情。從駕駛員、建筑工到后勤經(jīng)理，雖然他們很難答得上“暗物質是啥”的問題，但所有人都用百分之百的努力，回應著科學家的各種需求，而且，這些支持與付出，說到底都是他們的分外事。

季向東說，暗物質實驗要拼命去做，但結果沒人能預料，也有可能最終一無所獲。

從科學上，目前的實驗如果不能發(fā)現(xiàn)WIMP粒子，就等于是為這種粒子的大小劃定了一個上限，這也可以為后續(xù)更高水平的研究指出方向。

但除此之外，季向東更看重暗物質探測的文化意義。

他說，如今的中國應該有能力、也有理由擁有這類國際一流的基礎研究項目。從功利的角度來看，暗物質即使被發(fā)現(xiàn)，短期內也的確不會有任何用處，但毫無疑問，這個探索一定能提升中國的軟實力。更何況，正如歷史上那么多“無用的研究”一樣，科學總會在適當?shù)臅r候，給予矢志于它的人們一個巨大而又意外的回報。

（本文轉自《文匯報》）