新华全媒+丨什么是暗物质？科学家们为何选择在深地仰望星空？

新华社成都12月7日电(记者邢拓、薛晨)12月7日,清华大学、上海交通大学等10个实验项目组正式入驻中国锦屏地下实验室锦屏大设施,开展暗物质探测等一系列科学实验。什么是暗物质?科学家们为什么选择在深地开展研究?

“仰观宇宙之大,俯察品类之盛”,在浩瀚宇宙中,小到一粒尘埃,大到山川湖海、日月星辰,都是可见物质。但世界真的只是由看得见观测到的物质构成的吗?

20世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·兹威基通过大量天文学观测和推导,根据一些星系运动的异常,首次提出暗物质的猜想。“所谓暗物质,是指人类肉眼看不到、摸不着,且使用天文望远镜和电磁学手段观测都无法捕捉到的物质。暗物质既有‘穿墙术’,又有‘隐身术’。”上海交通大学教授、PandaX实验发言人刘江来说。暗物质,多数人可能听起来比较陌生,但科学家推测,可见物质仅占整体宇宙质量的5%左右,剩下的约95%都是暗物质和暗能量。

暗物质和暗能量被科学家们比作“笼罩在21世纪物理学天空中的两朵乌云”,两者难以用现有理论解释。“我们对于宇宙中95%的东西还摸不着头脑,这种好奇心驱使我们去了解未知领域,认识世界。”清华大学工程物理系教授、CDEX暗物质实验负责人岳骞说,暗物质研究是突破当前认知边界、打开人类视野的新的研究,属于开拓性的前沿研究,也是当前粒子物理学、宇宙学、天文物理学等学科前沿的研究课题。

然而,要想直接探测到暗物质,十分困难。暗物质与普通物质发生作用的几率极其低,一个形象的例子可以说明:通过实际计算,每秒钟大概有10亿个暗物质粒子撞击着我们的身体,但大多都“穿身而过”,暗物质粒子和我们身体中的原子发生碰撞的次数却十分稀少,大约一年一次。此外,无处不在的宇宙射线会极大干扰探测工作,让本就困难的探测工作难上加难。

一座能阻挡宇宙射线、实验环境和器材辐射本底低的“纯净”实验室成为探测暗物质的必要条件。

锦屏地下实验室锦屏大设施位于四川省凉山彝族自治州锦屏山地下2400米处,总容积33万立方米,实验室宇宙线通量仅为地表的一亿分之一,具备“极低环境氡析出”“极低环境辐射”“超低宇宙线通量”“超洁净空间”等多种优势,为开展暗物质探测提供了绝佳的实验环境。

2010年,锦屏地下实验室一期建成投运,清华大学CDEX实验组和上海交通大学PandaX实验组首批入驻,开展暗物质直接探测实验。自一期投运以来,锦屏地下实验室在暗物质探测、核天体物理等领域取得多项国际领先的科研成果。

“经过十多年的努力,我国暗物质研究从无到有,从‘跟跑’到‘并跑’再到逐步‘领跑’,已经走到了国际前沿。接下来,我们将和外国科学家们一起向人类面临的同一科学问题发起挑战——在寻找暗物质的道路上,看看谁能最先找到暗物质。”岳骞说。

暗物质研究对人类社会有何意义?我们的生活会因此发生变化吗?“100多年前我们已经探测到了电磁波,但当时从没想过它会跟我们的生活息息相关,现在我们人手一部手机,已经完全离不开无线电的具体应用了。”岳骞认为,暗物质也是一样,首先得找到暗物质,然后对它进行深入研究,最后会自然而然想到怎么用它去造福社会。