暗物质探测正穿越“中微子雾”，科学家称暗物质或能为星际旅行做天气预报

“每秒钟都有上亿个暗物质粒子穿过我们的身体，其实不止暗物质，还有很多已知粒子，例如每秒穿过我们指甲盖的太阳中微子便是以万亿计。” 上海交通大学李政道研究所特聘教授及副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来近日接受第一财经记者采访时表示。虽然暗物质研究的用途尚待开发，但人们可以如此理解这类“幽灵粒子”与人类的关系。

眼下，四川锦屏山2400米深的山体下，极深地下正在保护国家重大科技基础设施锦屏地下实验室中PandaX实验的氙探测器免受宇宙射线干扰。仅在国内，包括PandaX在内，就至少有三个知名项目在捕捉暗物质。各大暗物质实验室在全球范围内激烈竞争，希望率先拿到暗物质存在的铁证。这一进展在年内加快了。

两个月前，PandaX的探测器探测到另一种“幽灵粒子”太阳中微子，包括PandaX在内的暗物质实验室在本月早些时候则发表了探测到太阳中微子的研究成果。新进展背后，是暗物质探测器灵敏度的上升。而探测到太阳中微子后，下一步，科学界已在讨论如何穿越“中微子雾”看到暗物质。

穿越“中微子雾”

当今自然科学界最前沿的几个课题“两暗一黑三起源”中，两暗指的就是暗物质和暗能量。科学家认为，这些基础研究不会马上对人类日常生活产生直接影响，但当人类迈向太空、把握自身命运时，这些研究具有奠基性作用。宇宙成分中，人类已知物质仅占5%，而暗物质占到26%，整个星系可能就处于一个近乎雾霾的暗物质云里。

虽然人类肉眼感受不到暗物质，但科学家最初发现暗物质迹象的思路很容易理解。1933年，瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）发现，大尺度星系团中众多星系的速度远高于理论预言，为满足高速运动，需要极大质量提供引力，因此星系团中应该存在大量看不见的物质。科学家随后发现，在既有引力作用下，距银河系中心较远的恒星运动速度理应变慢，但实际速度很快，若无暗物质，恒星会飞出星系，星系将分崩离析。

众多观测数据支持暗物质的存在，但探测仍在进行。“（现在）这种零结果并非没有意义。”刘江来日前在腾讯科学WE大会上解释。科学家将实验数据转化为暗物质与普通物质相互作用强度的上限，在纸上画出一根曲线并排除曲线上方的参数空间，暗物质就存在于曲线之下。

最新成果则是，随着暗物质探测器灵敏度提升，探测器已探测到另一种基本粒子中微子，被探测到的太阳中微子原本像暗物质粒子一般难以捕捉。两个月前，PandaX-4T观测到太阳中微子的迹象并发表了第一个太阳中微子和氙核弹性散射的数据。“在我们之前，还没有团队用暗物质探测器看到太阳中微子和氙原子核的弹性散射的信号。此前太阳中微子实验采用数百吨级、几千吨级、万吨级的实验，我们仅用4吨级的实验就看到了。”刘江来告诉第一财经记者。

11月7日，顶级学术期刊《物理评论快报》则同时发表了两个暗物质实验独立测量到“中微子雾”的文章，分别来自PandaX-4T和意大利格兰萨索国家实验室的XENONnT实验。

不过，科学界也在讨论，中微子出现在探测器中，可能干扰后续暗物质的探测，两种粒子碰撞产生的信号可能是相似的。刘江来向记者解释，如果暗物质的质量恰是质子质量的5~6倍，太阳中微子和暗物质事件就混在一起了，两个信号特征几乎一样，探测到暗物质事件变得很困难。若对太阳中微子的本底理解特别精确，可以减除本底来挑出暗物质事件，但这条路并不容易，前提是需拿到很多事例且对系统误差有很好的理解。

一些科学界分析人士认为，“中微子雾”使暗物质探测蒙上一层阴霾。“不过，我们实验探索的其他更广泛质量的参数空间中，还有2~3个数量级的参数空间未碰到瓶颈或碰到不可逾越的中微子，那时的瓶颈将来自大气层中微子。”刘江来告诉记者，为了覆盖这么大的参数空间，除了靠钻研本底去除，下一步PandaX的探测器也将升级，希望能更快看到暗物质事例。目前PandaX液氙探测器用4吨重的氙原子捕捉暗物质，明年PandaX可能进行下一代实验，变成20吨级，在10~15年内，曝光量预计将达200吨/年。

暗物质或是宇宙新信史

全球对探测暗物质的热情高涨，仅在国内，便至少有三个探测暗物质的“国家队”项目，其中还包括2015年升空的暗物质粒子探测卫星“悟空”，以及由清华大学牵头、采用高纯锗探测器的CDNX实验团队。

国内外另一些实验室也在尝试。最新消息是，中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室利用量子精密测量技术在“轴子窗口”内成功开展了轴子暗物质直接搜寻实验。9月，瑞士洛桑联邦理工科研人员则开发出一种人工智能算法，可从天文观测数据中分辨出与暗物质有关的信号并与其他易混淆的信号区别开。

记者了解到，目前探测暗物质有三种主流路径，三种路径都在争流。一种间接探测方法是在宇宙空间暗物质密度较大的区域内，探测暗物质粒子之间碰撞产生的粒子，“悟空”卫星就采用这种方法；一种直接探测方法是将灵敏探测器放到安静环境如极深地下，待暗物质粒子到达并与原子碰撞，探测器捕捉碰撞后的反冲信号；还有一种方法是加速器中可见粒子碰撞，暗物质或从对撞机中产生。

其中，直接探测法正往地下深处去，例如利用矿井、隧道。液氙探测器2004年左右开始兴起，升级探测器则依赖与产业界合作。例如，要研制出能在零下100度液氙洁净环境下对特定紫外波长敏感的传感器十分困难，PandaX正与高精尖企业合作，探讨国产化。刘江来认为，在基础研究和产业化之间已出现一条看得见但并不十分直接的链条，科学界的突破有望导向新的商业市场，且这种合作会越来越多。

“暗物质最后用途如何，我很难给出具体回答。对科学基础产生颠覆性影响后，后面是什么要交给未来的人判断。今天科幻或许讲得更明白，哪天我们在银河系星际旅行时，我们需要知道暗物质分布才能做天气预报。”刘江来告诉记者，也曾有美国科学家提出一种特殊的暗物质理论，认为暗物质之间有相互作用，能对银盘产生影响，基于此提出恐龙灭绝与暗物质有关的假说。

不只是暗物质探测，其他天体物理研究近年也在突破。2015年，LIGO（激光干涉引力波天文台）首次探测到两个遥远黑洞产生的引力波，人类理解宇宙的“钥匙”自此多了引力波，多信史天文学（用多种信史观测同一天体）兴起。LIGO奠基者基普·索恩此前告诉记者，未来几十年内人类有望对宇宙大爆炸产生的原始引力波有确切的了解。

而就像能穿越宇宙空间引力波，暗物质也具有极强的穿透性，能穿透宇宙空间来到地球，或许也能携带关于宇宙的信息。“现在除了电磁波这种观测天体的传统手段，还多了引力波、中微子，甚至某一天，暗物质也可能会成为信史。”刘江来告诉记者。