对话PandaX实验刘江来：暗物质有“隐身术”，会穿墙，甚至能穿越整个宇宙来到地球

搜狐科技《思想大爆炸-对话科学家》栏目第95期，对话上海交通大学李政道研究所特聘教授、副所长，PandaX暗物质实验首席科学家刘江来。

嘉宾简介：刘江来，上海交通大学李政道研究所特聘教授、副所长，PandaX暗物质实验首席科学家，科学探索奖获奖人。长期从事粒子、原子核与天体物理交叉领域的前沿实验研究, 尤其是暗物质、中微子实验领域的前沿研究，取得了多项具有国际影响或领先的研究成果。

• 暗物质在空间中无处不在，主导了宇宙和星系的形成、演化。

• PandaX实验可以直接探测暗物质，液氙探测器易扩容、灵敏度高、对碰撞势力能做甄别。

• 锦屏大设施，是全世界最深的实验室，能够屏蔽宇宙射线、进出便利、实验环境好。

• 真正发现暗物质的本质将会对基础科学产生颠覆性的影响，将会解决宇宙最为本原的问题之一。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

编辑｜杨锦

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审核｜孟莎莎

“等我们的足迹步入银河系或者更深的宇宙中，到那个时候，暗物质的意义，还是请您来告诉我吧！”这是刘江来在腾讯科学WE大会上的结束语。

提起暗物质，看不见又摸不着，总感觉它是那样的“虚无缥缈”。

然而，在距离成都会场只有350公里大凉山下的锦屏地下实验室，多年来，刘江来和团队一直在探索和寻找那神秘的“暗物质”，从未停歇······

如何探测暗物质

“暗物质在空间中无处不在，可我们浑然不觉，不仅我们浑然不觉，我们的地球、太阳系都浑然不觉，但这样的粒子，聚集到银河系或全宇宙后，我们就会发现，它们主导了宇宙和星系的形成、演化。”刘江来如是说。

科学家们认为，目前宇宙中还有95%的东西是未知的，而这其中包括69%的暗能量，剩下的就是暗物质。

刘江来表示：“尽管我们没有找到支持哪一种暗物质本质的科学证据，但是我们知道暗物质有一些特性。”

比如，因为它不跟光发生作用，因此它有“隐身术”；因为它不参与强相互作用，和普通物质的相互作用就非常弱，使得它具有非常强的穿透性，不仅仅可以穿墙，甚至可以穿越整个宇宙空间来到地球。

那么，我们又该如何探测暗物质呢？

“探测暗物质有三种方法。第一种是在宇宙空间中找一个暗物质密度较大的地方，暗物质粒子之间产生碰撞，可能会催生出来能够探测到的粒子，比如我国的悟空卫星就是把探测器放到太空中来寻找暗物质的间接证据。”

“还有另外一种方法更直接，就是把一个非常灵敏的探测器放到非常安静的环境中，等待暗物质粒子到达探测器和原子碰撞后，捕捉原子的反冲信号，这被称为暗物质直接探测；另外，能量足够高的加速器上可见粒子的碰撞后，有可能把这个暗物质在对撞机中产生出来。”

而刘江来所在的中国锦屏地下实验室开展的PandaX实验，就在试图直接探测暗物质。

“Panda既是致敬四川、致敬国宝，同时也是粒子物理与天体物理的简称；X既是致敬我们不知道的暗物质，也是我们用的惰性元素氙的代名词，我们把氙冷却到零下100度，做成探测器来捕捉暗物质的碰撞。”

当搜狐科技问及液氙的优势时，刘江来表示：“液氙暗物质探测器兴起时间大约是2004年，在过去近20年中，它一直在高速发展，探测灵敏度提升很快。”

“首先作为一种气体，零下100度液化成液体，比较容易扩容，因为探测器最后灵敏度是跟探测体量成正比的；其次它对于每一个碰撞势力的能量和位置，都能做4D、5D的照相，所以可以知道在哪里发生、能量如何。”

“此外，稍微有一点技术性，液氙探测器对碰撞势力能做甄别，判定它是本底还是信号。”刘江来对搜狐科技说道。

在锦屏山下“摸着石头过河”

暗物质穿过宇宙，来到地球，穿过锦屏山厚厚的2400米岩石，最终到达氙探测器中，找到氙原子进行碰撞，碰撞后产生两束光……

谈到这里，一定有许多朋友好奇，为什么要把实验地点选在锦屏山？

对此，刘江来在会前采访中也进行了解释：“锦屏大设施，是全世界最深的实验室，总容积33万立方米，地表有很多来自宇宙深处的射线，这些射线打到探测器上很难看到那些极其微弱的信号，无论是暗物质还是其他信号，其实早在上世纪60年代美国物理学家就利用废弃金矿建设了地下实验室。”

“除了能够屏蔽宇宙射线，另一个优势是进出便利，实验环境好，国际上有很多深地实验室，但都需要靠矿井进出，给实验造成了很大的困难，现在锦屏地下实验室也是国家的重大科学基础设施。”刘江来补充道。

为了修筑水利工程，雅砻江公司建设的锦屏隧道，2008年通车；2009年清华大学和雅砻江建设了第一期的锦屏实验室，到2016年又开始了二期实验室的建设，而刘江来所从事的科学研究，就是在其中一个B2实验厅中开展。

自09年起，科研人员已经建设了三代探测器，从120公斤到580公斤，现在的已经是4吨级的探测器了。

当然，在这15年间，刘江来和团队也遇到了许许多多的困难。现场，他引用了李鸿章的话“每一代人只能做一代的事情”来反映他们的实验，因为他们在每一代更灵敏的探测器中都会发现一些全新的、从未遇到过的问题。

在最新一代的探测器中，他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，发现每公斤中的氙有20个氚原子。

“你听上去没有概念，但是对比一下，每公斤的饮用水中有5万亿的氚原子，我们可以把它喝下去，所以我们实际看到的量是非常小的，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。”刘江来举例道。

当他们看到本底之后才可以解决这个问题，尽管这个过程并没有教科书。他们花了一年半的时间才把氚的本底降低了约10倍，但依然能看见它的踪迹。

“我希望再过几年，我们能给探测器中的每个氚原子都起一个名字，贴一个标签，探测器要灵敏到这种程度，才是真正的暗物质探测器。”刘江来在演讲中如是说。

诺奖级的科学成果

但其实液氙的成本是非常高的，据刘江来称，氙气是整个探测器中最昂贵的部分，一公斤五六千人民币，一吨就要五百万。

“其实价格并没有高到不可想象，做基础研究时，一个科学项目应不应该被支持，更重要的应该是看它的科学目标是否重要，俗一点说，有没有可能产生全世界引领性的甚至是诺奖级的科学成果，其次再看预算。”刘江来如是说。

在刘江来看来，相对于应用研究，基础研究的收益性是长线。比如18世纪，卡诺最早提出热力学第二定律概念之前，其实蒸汽机早就发现了，卡诺等科学家发现，在比如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律，没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。

未来，刘江来和团队在现在运行的基础上，还在考虑进一步的升级。因为探测器中的原子越多，就越能够在相对较短的时间内发现暗物质信号。

刘江来称，也许明年的这个时候他们就要开始下一代的实验，20吨级的液氙实验，后面也会根据氙气的拥有量，逐步升级到40多吨。

演讲中刘江来也进一步解释了未来的工作计划。

“一般说来我们是五年一代探测器，我们希望在10-15年的时间，能够达到每年200吨的曝光量，也许这样的实验就能够发现暗物质的存在、证实暗物质的存在，或者在这个过程中就能够找到全新的其他现象。”

“之后我们还有第二代的升级计划，把探测器中的同位素进行分离，对暗物质的某些性质做更细节的研究，尽管科学探索很漫长，也许明天就会出现，也许10多年我们才能找到其他现象，但这种不可预期性可能正是科学探索的强大魅力。”

当搜狐科技问及探测暗物质到底有什么用的时候，刘江来表示：“许多人都说暗物质虚幻缥缈，从用途上来讲，我也很难给出一个具体的回答，但真正发现暗物质的本质将会对基础科学产生颠覆性的影响，将会解决宇宙最为本原的问题之一，但是颠覆之后是什么，我想只能让未来的人去说。”