“今后10年，暗物质的直接探测灵敏度将改善两到三个数量级，中国的暗物质直接探测团队有望对这个历史性的结论作出贡献。”10月28日，李政道研究所资深学者、上海交通大学鸿文讲席教授季向东，在未来论坛透露了我国直接探测暗物质的最新情况。
暗物质可能如同雾霾，把银河系围在了其中
去年，引力波的发现，使得爱因斯坦广义相对论的最后一个预言得到验证。但是从上世纪20年代起，有越来越多的证据表明，牛顿和爱因斯坦的引力理论在星系到宇宙的尺度上可能是错的。科学家们猜测，宇宙中可能有大量的、看不见的暗物质。
这种猜测并非是空穴来风。在银河系里，所有的星星都绕着银河系的中心转动，根据牛顿万有引力，太阳转动的速度和银河系的质量以及太阳离银心的距离直接相关。由此可以推出太阳的转动速度应该是每秒170公里，但实际测到的速度约为每秒220公里到250公里。如果牛顿和爱因斯坦的引力理论是正确的，那么我们所看见的是普通的原子和分子，它们只占银河系的一小部分。大量的暗物质可能形成了球状的晕，“就如同雾霾一样，把银河系包围在了其中。”
直接探测暗物质，有点像守株待兔
今天，几乎所有的天文学家认为暗物质的存在是没有疑问的。但问题是——它到底是什么，和普通物质有什么关系。
最流行的一种理论猜想是，它是一种具有弱相互作用的重粒子。说到原子内部的弱相互作用，李政道和杨振宁正因为研究它而获得诺贝尔奖。重粒子是指比起氢、氦原子等重很多的粒子。
目前探测暗物质主要有三种办法：加速器产生、间接探测和直接探测。如果暗物质具有弱相互作用，可以在大型对撞机中产生。我国去年发射的“悟空”暗物质卫星，就是一种间接探测，对准银河系中心来观测。
什么是直接探测？太阳系在银河系的暗物质“雾霾”中以每秒220公里的速度高速飞行，暗物质象倾盆暴雨一样下到我们身上，毫不费力地穿过，向着远方飞逝而去。每秒钟每平方厘米穿过的暗物质粒子高达几十万个。暗物质粒子可能有弱相互作用，通过这种相互作用，它们会和普通的原子发生概率微乎其微的碰撞，把原来静止的原子撞得“飞起来”，而撞飞的原子是可以观察到的，这就叫直接探测。“这有点像守株待兔，暗物质粒子是兔，普通物质的原子是树。”季向东说。
我们的身体里面大概有一千亿亿亿个原子，每秒钟穿透我们身体的暗物质粒子有上亿个，如果等上一天，被撞飞的原子还不到一次。但是，我们身体里的原子每天被宇宙线等撞飞的次数大概有上亿次。可以想象，如果在地面上等“兔子”来撞“树”的话，会完全湮灭在环境噪音里。
这就是为什么直接探测暗物质需要躲到非常深的地底下去。每往地下去一千米的等效水深，宇宙线的干扰大概少十倍。2010年，清华大学和雅砻江水电开发有限公司在四川锦屏，距离地下2400米深的地方，建立了世界上最深的地下实验场所，那里的宇宙线干扰少了一百万倍。
从120公斤到500公斤，再到30吨
如今，在锦屏主要有两支实验团队，一支由清华大学主导，以高纯锗作为探测材料；另一支团队则是由上海交大主导，以液氙作为探测材料。
氙是惰性元素，在空气中有千万分之一的含量。为什么要用氙来探测暗物质呢？季向东介绍，氙在零下100度的时候会变成无色透明的液体，当暗物质粒子撞上氙原子，撞飞的氙原子会发光、发电，而光和电可以通过“光电管”放大1千万倍来观察。
研究团队一开始用的是120公斤级的探测器，2014年发表的探测结果，把世界上“看到”的所谓粒子信号统统都排除了。接下来，又做了一个500公斤级的探测器，2016年开始运行，是当时世界上最大的暗物质探测器。从运行的三个月数据来看，在探测器里发现了2450万次“树”的摇动，但没有找到暗物质。今年，取得了比欧洲和美国更灵敏的探测结果。“有可能长时间找不到暗物质，这就如同一艘船在太平洋失联了，但我们可以在某一个区域去搜，如果没有发现这条船，就把这个区域排除了，这也是一个很重要的成果。”
该团队计划未来做一个30吨的探测器，30吨大概是世界一年的氙产量，如此一来，氙的价格可能会水涨船高。（作者:黄海华）
【来源】上观新闻