上海交通大学李政道研究所副所长刘江来：2400米地下捕捉暗物质 多次刷新国际纪录

“上天入地”，国际科学界对暗物质探索的竞争空前激烈，而中国科学家的研究有望引领世界。

看不见摸不着、占整个宇宙27%的“神秘物质”被称为“暗物质”，是解开宇宙奥秘的关键。在埋深2400米的四川省凉山州锦屏山隧道，全球暗物质研究领域的杰出代表刘江来和他的暗物质实验团队，正在用4吨级液氙探测器，织起一张细密的网，捕捉那些会隐身术的暗物质粒子。

刘江来是上海交通大学李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验室首席科学家、江门中微子实验标定负责人，他在接受《每日经济新闻》记者（以下简称NBD）专访时，介绍了中国在暗物质探测领域的最新进展。他表示，暗物质的发现将对基础科学产生深远影响，有助于解释宇宙成长、星系存在等问题。

多次刷新国际暗物质探测的精度和灵敏度

在四川捕捉未知的暗物质，和熊猫一样难得的PandaX由此得名。2018年新一代实验的工程建设期，实验室里的科学家刘江来首先要做好一个基建“包工头”。那段日子，他频频来往于学校和锦屏之间，和施工单位斡旋，“踩过很多坑”。

PandaX的“入地”方式是直接观测，由于暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号极为微弱，要想听到这样的信号，必须将探测器放在一个非常安静的地方。越往地下，宇宙射线的干扰就越少，越有机会“守株待兔”。除了直接观测，“上天”是探测暗物质的空间间接探测，“悟空”是我国第一颗暗物质粒子探测卫星，遨游太空试图拨开暗物质的乌云。

探测暗物质是解开宇宙奥秘的一把钥匙，国际科研团队“贴身竞争”，都希望能率先发现新成果。

NBD：在埋深2400米的隧道中搭建一个暗物质观测实验室，听起来不可思议。是怎么做到的？

刘江来：我们说的埋深2400米，不是往地下钻2400米的洞，其实是水平进入的隧道。锦屏山隧道是雅砻江流域水电开发有限公司为了建设水电工程，建造的一条穿山隧道。由于锦屏山很高，隧道的中间位置朝上看，岩石距离山顶达到2400米。

事实上，深地实验一直是科学研究的绝佳实验室，在极深的地下做研究，能屏蔽掉地表的各种宇宙射线干扰。

2009年，清华大学与雅砻江公司采用校企合作模式共建的锦屏地下实验室一期建成投运，填补了我国深地实验室的空白。而首批入驻的清华大学CDEX实验组和上海交通大学PandaX实验组填补了我国暗物质研究的空白。

我们把氙冷却到零下100摄氏度，做成探测器来捕捉暗物质的碰撞。自2009年起，PandaX实验组已建设三代暗物质探测器，从120公斤到580公斤，现在的是4吨级的探测器。多次刷新国际暗物质探测的精度和灵敏度，与国际上规模更大、经验更丰富的研究团队同台竞技，成果交互领先。

十多年来，锦屏地下实验室的条件也越来越好，目前已经成为国家重大科技基础设施平台，支撑着中国很多科研团队在这里开展工作，成为一个交叉学科的研究场所。比如华西医学院的研究团队把癌细胞放在那，观测其生长速度的变化。（据四川观察报道，华西医院深地医学研究中心研究员吴江称，肿瘤细胞放到地下以后，生长会变慢。给它放入一些化疗的药物，它有增敏的现象，更有利于杀伤这个肿瘤细胞。记者注。）

NBD：暗物质探测的国际竞争目前处于什么态势？

刘江来：非常激烈。2016年我们和美国科研团队在同一天发布研究结果，2017年同意大利团队的结果发在同一期的期刊上。今年我们比意大利团队早两三个星期投稿，但11月，又发在同一个期刊的同一期上。

2014年，锦屏地下实验室开始规划建设二期项目，建设周期很长，一直到2023年底才结束。基建工程必定会影响到实验进度，而美国、欧洲和中国在暗物质研究方面，已逐渐形成激烈竞争的态势。当时我们的实验升级装置已经“箭在弦上”，为了跟国际上其他团队竞争，必须尽快投入运行。

我们跟实验室管委会申请，争取在整体大设施建设的同时，让我们的小实验室同步运行。后来，我们得到很大支持，可以说是在工地上搭建了一个简易的、相对封闭的空间用于实验运行，当然也是一个洁净的空间。那段时间，实验室外面在进行基础建设，而实验室里面一直在产出科学成果。虽然现在大家还没有找到暗物质，但正是这个机会能够使我们始终站到科学问题最前沿。

基础科学突破将会带来什么？

看不见摸不着、占整个宇宙27%的“神秘物质”被称为“暗物质”。那科学家们又凭什么相信暗物质的存在呢？

“我们所处的银河系就像宇宙中的一个细胞，宇宙中有很多像银河系一样的星系，而每个星系中又有上千亿颗恒星，他们都是靠引力的相互作用聚合在一起。”刘江来解释称，“科学界关于暗物质想法的提出，是基于一个惊人的观测结果。当观察这些星系中的恒星绕着中心旋转的速度时，按照引力理论推断，越往星系外侧旋转速度将越低，但事实却不是这样。”

科学家发现，即使到了星系的边缘，恒星的旋转速度还是非常高，大概比超音速飞机的速度还要快1000倍。怎样才能维持质量如此大的星系有如此高的旋转速度呢？因此科学家提出，必须在星系中塞入一些我们看不见、摸不着的“暗物质”才能解释。反言之，如果没有这些暗物质提供的引力相互作用，整个星系就会分崩离析。

宇宙137亿年的演化，暗物质起决定作用，如果没有其存在，可能整个银河系、太阳系都不是这样。100年前，很多人都认为相对论、量子力学没用。但今天，大家手机里所有的芯片、电脑、互联网的发明都源于100年前的理论。也许100年后，我们的生产生活从早到晚“全是暗物质”。

从大爆炸开始，宇宙已经存在了137亿年，而人类文明史不过3000~5000年；整个宇宙中有上千亿的“银河系”，而太阳只是我们所在银河系里的一颗恒星。无论从时间还是空间角度上看，人类都是微不足道的。正如科学家季向东所言：“近代科学发展至今不过几百年，却已经把世界的规律摸索得这么清楚，很难找到什么东西不能吻合现行的运作标准模型，暗物质粒子的发现还将直接证实标准宇宙学模型的正确性。暗物质决定了我们的过去，决定了我们的未来。暗物质这个谜团，是对人类智慧的又一个挑战。”

NBD：你在演讲中提到，每秒可能有上亿的暗物质穿过我们身体。这个数字是怎么测算的？那么多暗物质穿过人体，对人们的生活有什么影响？

刘江来：这个数字是通过天文学测量的，我们把太阳附近的暗物质密度估算出来。因为我们知道太阳轨道附近暗物质每毫升中所占的重量，大概跟质子的重量差不多，其实是很小的一个量。根据暗物质粒子每一个都比质子重100倍的理论猜想，然后再根据太阳绕着银河系转的速度，就可以把每秒钟有多少个暗物质粒子穿过我们人体这么大的面积给估算出来。

这种影响是非常间接的，没有暗物质就没有银河系，没有银河系就没有太阳，没有太阳就没有地球。至于暗物质对生活会不会有影响，我的答案是“NO”，就像每秒有近千亿的太阳中微子穿过我们的拇指盖，对我们也没有影响。

观测暗物质是试图揭开宇宙最深层次的面纱。它能解释宇宙的成长、星系的存在，揭示物质、能量以及它们之间相互作用的基本规律。而揭秘之后能带来什么？我认为理解宇宙本源已经够了。一代人只能做一代人的事，这项基础科学的突破能带来哪些连锁反应，只能让以后的人来说。

NBD：PandaX的氙气探测器成本大概是多少？

刘江来：所有的科学资源都要花资源。氙气的价格起伏很大，目前是低点，1公斤的氙气不到1万元人民币。目前4吨级的液氙探测器实验处于稳定运行期，我们希望在不久的将来开始下一代的实验——20吨级的液氙实验，这将使其成为全球体量最大、灵敏度最高的液氙实验系统。

相对于应用研究，基础研究的收益性是长线。比如19世纪，在卡诺提出热力学第二定律的前身“卡诺定理”时，其实蒸汽机早就发现并且成功被应用了。但热力学第二定律指出的不可逆过程、时间有方向、熵等概念，成为现代科学的基石。如果没有它，今天很多工程技术和发明就不会诞生，可能大家还在琢磨“永动机”呢。

NBD：100年前的物理学界常常是一个人、一个小作坊就做出惊人的成就，现代实验物理学往往需要大量的资金支持和人力投入，切口小、难度大，而且还越来越难取得成果。你怎么看？

刘江来：我觉得科学发现总是遵循着科学发展的规律，同个人对研究范式的“审美”关系不大。我们熟知的精妙绝伦的卡文迪许实验、密利根油滴实验等都是“小作坊”实验，让我们从小潜移默化产生了某种“审美”偏好。

但是，20世纪30年代开始，核物理和后来的粒子物理转变了研究范式，从小作坊到更有组织、更大规模的大型装置式研究。据说密利根（加州理工大学第一个诺奖得主）本人由于不喜欢政府资助的“大科学”，使得加州理工大学在二战后粒子物理实验的高速发展期鲜有作为，落后于伯克利大学和斯坦福大学。类似的发展规律在其他领域也比比皆是，就拿大家熟悉的信息技术行业来说，乔布斯他们三个人的团队在父母的车库里做出了第一代苹果电脑，但现在的AI、超级计算机皆需要巨大的计算资源、资金资源、人力资源投入。当然，我也不认为现代科学一定需要大科学装置才能有所突破，每个人都有自己的“审美”偏好，但是“审美”要和科学发展规律吻合才能取得突破，我们对待不同的科研范式还是需要足够的包容性。

科学的投资总有成功和失败，而且看你怎么定义“失败”？发现了一个新现象当然是成功，但不是唯一的成功方式。一个工作是不是走在了科学的最前沿，这本身就很重要，本身就是成功。

十年磨一剑是快乐！剑没磨出来怎么办？

找到一个研究领域，一头扎进去。在刘江来看来，“数十年如一日”“十年磨一剑”都不是痛苦，是科学家的快乐。而在世俗的理解中，这种“值得”，常常以成功的结局为前提。如果这把剑被竞争对手抢先磨出来，会遗憾吗？

NBD：在探测暗物质的过程中，最大的挑战是什么？

刘江来：我们做实验经常说Devils in the detail（魔鬼藏在细节里），任何一点细节出错，都会导致最后结果有问题。锦屏山虽然环境特别好，能够屏蔽掉很多宇宙射线，但仍有很多“背景噪音”是地下实验室屏蔽不掉的。我们每一代新的实验都会发现一些以前探测不到的“本底事件”。

我们要理解这个事件到底从哪来的，到底是什么，再想办法从实验中去除。所以总体来说，我们的目标是暗物质，但研究中总是跟非暗物质的事件打交道。在最新一代的探测器中，我们看到了一种全新的本底，探测器中被掺杂了一些少量的氚元素，氚是不稳定的，半衰期大概12年，探测器运行了95天，发现每公斤氙中有20个氚原子。你听上去没有概念，但是对比一下，每公斤饮用水中有5万亿的氚原子，我们可以把它喝下去，所以我们实验中的氚本底是非常小的，可以说我们建设了一个全世界最好的氚探测器之一，才能看到这样的本底。我们花了一年半的时间才把氚的本底降低到了原来的十分之一，但依然能看见它的踪迹。