中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組首席科學(xué)家康克軍教授做客《文化講壇》，講述——
暗物質(zhì)的找尋之旅
來源：人民日?qǐng)?bào) 2014-12-3 趙婀娜
近日，中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常明確地排除了美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組給出的暗物質(zhì)區(qū)域，并且排除了意大利和美國兩家權(quán)威暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組的大部分區(qū)域，這代表我國科學(xué)家在暗物質(zhì)探測方面取得了一個(gè)國際前沿水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為全世界的科學(xué)家指出了下一步找尋暗物質(zhì)的范圍和方向。
從4年前，世界最深地下實(shí)驗(yàn)室投入使用來探尋暗物質(zhì)，到今天達(dá)到暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平，我國科學(xué)家跨越了一大步。中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組首席科學(xué)家、清華大學(xué)康克軍教授做客人民日?qǐng)?bào)、人民網(wǎng)《文化講壇》，講述暗物質(zhì)的找尋旅程。
暗物質(zhì)就像物理天空的一朵“烏云”
人類不斷探索，對(duì)世界的認(rèn)知不斷更新，不斷深入。在宇宙和物質(zhì)研究領(lǐng)域，隨著希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型畫上了圓滿的句號(hào)，完整的物理天空展現(xiàn)在了我們面前，那么美麗，但在天邊卻還有“兩朵烏云”——暗物質(zhì)和暗能量。
由于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋，這“兩朵烏云”對(duì)當(dāng)代物理學(xué)形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從上世紀(jì)30年代第一次發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的天文學(xué)證據(jù)以來，全世界的物理學(xué)家、天文學(xué)家甚至藝術(shù)家，就未曾停止探索與想象的步伐：約占宇宙物質(zhì)質(zhì)量85%的暗物質(zhì)，究竟是什么？到底在哪里？
對(duì)暗物質(zhì)的研究已經(jīng)有一些基于假設(shè)的理論模型，物理學(xué)界渴望能有實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，特別是直接探測的結(jié)果，對(duì)這些理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。在暗物質(zhì)的諸多假設(shè)模型中，WIMP暗物質(zhì)模型最受推崇。該模型認(rèn)為暗物質(zhì)是一種彌漫在星系之中、具有靜止質(zhì)量、不帶電、與已知物質(zhì)存在弱相互作用（一定是非常低概率的和非常微弱的）的粒子。如果我們能夠測量到這種相互作用，那么就成功地探測到了這種暗物質(zhì)。
因此，要在已知的物質(zhì)中選擇一種作為探測器的敏感介質(zhì)，能夠最敏感地感知與WIMP發(fā)生相互作用時(shí)所產(chǎn)生的非常微弱的能量。問題是，任何非常敏感的探測器介質(zhì)對(duì)其它粒子的作用也是非常敏感的。而我們周圍充滿了各種輻射粒子，它們會(huì)對(duì)探測器造成極大的干擾。這就好比，在一個(gè)搖滾舞廳里，讓一個(gè)聽力極好的人去分辨一根針落地的聲音。
那么，我們要設(shè)法減少干擾探測器的粒子。其中最難的，是阻擋宇宙射線。宇宙射線的力量太大，要想擋住，需要很厚的物質(zhì)，我們只能將探測器放到很深的地下。有人將探測器放到地下幾百米，發(fā)現(xiàn)宇宙射線少了些；地下1000米，又少了些；地下1500米，宇宙射線更少了。而清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司聯(lián)合建設(shè)的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室埋深達(dá)2400米，為探尋暗物質(zhì)提供了得天獨(dú)厚的條件：宇宙射線非常少，天然放射性也很低。
明確排除了美國研究組給出的暗物質(zhì)存在區(qū)域
目前，國際上一般用“靈敏度曲線”來評(píng)價(jià)探測器進(jìn)行直接探測所達(dá)到的限度。曲線越低，表示探測器的靈敏度越好，同時(shí)也表示在此曲線上方的區(qū)域不應(yīng)該存在WIMP暗物質(zhì)。以液氙作為探測介質(zhì)的探測器，在探測高質(zhì)量WIMP區(qū)域取得了最好的靈敏度曲線。但在中、低質(zhì)量WIMP區(qū)域，高純鍺探測器的優(yōu)勢非常突出。
鍺是一種優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，最大限度地提高鍺的純度可以有效去除探測器自身的放射性干擾。采用點(diǎn)電極新型結(jié)構(gòu)有利于降低探測器的能量敏感閾值，提高探測器獲取微弱信號(hào)的能力。中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組主要成員已經(jīng)在暗物質(zhì)方面開展了十多年的研究工作，曾率先在國際上提出，利用極低能量閾高純鍺作為探測器開展暗物質(zhì)直接探測的構(gòu)想，并開展了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。
我們的1公斤點(diǎn)電極高純鍺單元探測器于2012年投入使用，今年發(fā)表的探測結(jié)果，確定地排除了美國CoGeNT研究組曾于2011年給出的暗物質(zhì)存在的區(qū)域，在全世界物理學(xué)界產(chǎn)生了很大影響。目前，我們的探測器已經(jīng)是國際上點(diǎn)電極高純鍺探測器中靈敏度最高的探測器系統(tǒng)。遺憾的是，受到多種技術(shù)的制約，單個(gè)高純鍺探測器無法做得很大。這怎么辦呢？我們提出了“陣列探測器”的技術(shù)路線，讓很多個(gè)單體探測器組合成巨大的陣列探測器，例如，將1000個(gè)單體1公斤的探測器陣列化，就等效是一個(gè)總質(zhì)量1噸的大型探測器。未來我們將實(shí)現(xiàn)百公斤級(jí)到噸級(jí)的陣列高純鍺探測系統(tǒng)，期望能取得世界矚目的實(shí)驗(yàn)成果。
科學(xué)家的“夢”體現(xiàn)在每一個(gè)具體的科研環(huán)節(jié)中
每位中國科學(xué)家的心中都有一個(gè)“夢”，這個(gè)夢想很宏大，也很實(shí)際，它扎扎實(shí)實(shí)地體現(xiàn)在每一個(gè)科研的具體環(huán)節(jié)之中、體現(xiàn)于每一個(gè)科研成果的取得中，也體現(xiàn)在無數(shù)科研工作者的努力與探索的實(shí)踐過程中。
科研來不得半點(diǎn)功利和浮躁，需要極大的耐心與韌性。在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，一平方米有效面積的宇宙線探測器一個(gè)星期只能捕捉到一個(gè)有效信號(hào)，而探測暗物質(zhì)比探測宇宙線要困難得多。對(duì)于任何一項(xiàng)科學(xué)研究，都要持有一顆淡然而執(zhí)著的心，要“板凳坐得十年冷”。
當(dāng)然，在探尋暗物質(zhì)的過程中，我們也有不少收獲，在探測器方面，我們自主設(shè)計(jì)的高純鍺探測器達(dá)到了國際領(lǐng)先的靈敏度水平，與之相關(guān)的探測器材料、前端電子學(xué)、數(shù)據(jù)獲取與處理、低溫反符合裝置等方面都取得了進(jìn)展；在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面，我們秉承了“頂天、立地、樹人”的科研理念，突顯了團(tuán)隊(duì)化“集體創(chuàng)新”的機(jī)制優(yōu)勢，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀青年人才。
還有一個(gè)很重要的收獲，就是讓我們的科學(xué)家在國際上“揚(yáng)眉吐氣”的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。為什么這么說？之前要進(jìn)行一些在極純凈的環(huán)境下開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要向其他國家提出請(qǐng)求，到人家的實(shí)驗(yàn)室里去做，常常身不由己。現(xiàn)在，我們可以方便地在自己的實(shí)驗(yàn)室開展包括暗物質(zhì)直接探測在內(nèi)的很多面向前沿的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。今后，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室會(huì)支持更多的由中國學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的國際合作基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。
有人說，科研的過程，注定是孤寂的，但在這份孤寂中，我們所有的科研工作者都有一顆火熱的心。
