我們深入地下2400米的世界最深實驗室，只為追蹤這種籠罩銀河系的神秘物質 | 科學講壇——周寧

它是20世紀到21世紀，

現代物理學最大的烏云，

預示著物理學的又一次革命。

周寧· 上海交通大學特聘教授

格致論道第124期 | 2025年10月25日 北京

大家好，很高興有機會和大家分享尋找暗物質的方式。

我是周寧，來自上海交通大學。在研究生階段，我加入了歐洲核子中心，通過對撞機開展暗物質探測。2025年，我有幸和對撞機的同事們，獲得了基礎科學突破獎。

現代物理學最大的烏云

暗物質是一個非常重大的問題。李政道先生指出，它是20世紀到21世紀，現代物理學最大的烏云，預示著物理學的又一次革命。

為什么這么說呢？這要從暗物質的歷史說起。暗物質是不發光、不吸收光的一種東西，它不能通過普通光學望遠鏡去觀測，但是有引力相互作用。1933年，瑞士科學家弗里茨·茲威基首次發現或者說是推測出暗物質的存在。

這幅圖是星系旋轉曲線。想象一下，一顆恒星受到萬有引力的作用，繞著星系的中心在旋轉。隨著距離的拉遠，離星系越遠，它受到的引力就越小，旋轉的速度也會越小。

▲上：理論預期

下：實際觀測

實際上，我們觀測發現——距離遠的恒星，速度并沒有減弱。這就預示著需要大量的、看不見的物質，來提供這樣強大的引力，否則這個恒星就會被甩出星系。

天文學家經過進一步研究發現，暗物質在宇宙中的質量和能量的占比，達到了26.8%，是普通物質的5倍以上。這大大地超出了我們的想象。

我們希望理解，這么多的暗物質，它的本質到底是什么？它的質量是什么樣子？它和普通物質會發生怎樣的相互作用？它會對我們產生什么樣的影響？

世界上最深的地下實驗室

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為了研究它，我以前用的方式是對撞機。所有的物質都是宇宙大爆炸產生的，換言之，對撞高能粒子的碰撞也有可能產生出暗物質。一旦產生暗物質，它就帶著能量逃走了，因此它很難被探測到。

于是，我們就來尋找有能量丟失的信號。這是對撞機的一個特點。但是，對撞機也存在一些問題。它是可以通過對撞產生出來一些新的粒子——這些粒子不發光、不帶電，但是它們不一定是宇宙中暗物質的主要組成部分。

因此，我們需要一種更直接的方式來尋找暗物質。哪里才能完成這件事呢？其實是銀河系。銀河系85%的成分是暗物質，即使在我們周圍，每立方米的體積就有30萬個質子質量的暗物質。它像霧霾一樣籠罩在銀河系，太陽系以220 km/s的速度圍繞著銀河系旋轉，它穿越霧霾和暗物質發生碰撞，而我們就是來尋找碰撞的信號。

但是，它也存在巨大的挑戰。首先，它的信號非常弱。每秒鐘大概有一億個暗物質撞到我們身體上。我們身體里的原子有天文數字這么多，但是每年暗物質和每個人碰撞的幾率小于一次。不僅信號非常弱，噪聲還非常高——我們周圍有大量的宇宙線，還有放射性的粒子，它們和人體的碰撞每天要超過一億次。

在這么多的噪聲中，我們怎么去尋找這些微弱的信號呢？世界各國就想出各種各樣的辦法。比如我們去醫院拍X光，為了防止輻射，要穿著鉛服來屏蔽輻射。國際上就把探測器放到地底下，用地球進行屏蔽。

這個是世界上的地下實驗室，大概從七八十年代就有了。暗物質的直接探測也延續了40多年。

中國一直在等待這個機會，因為之前沒有地下實驗室——直到2008年8月8日，《新聞聯播》有這樣一個報道：在四川雅礱江，這條江繞著一座山轉了一圈，那座山叫錦屏山。

我們見到大江大河就喜歡修水電站，為了讓水從高處流向低處，最簡單的方法就是干脆把這座山打穿。2008年，隧道建成了，水就從隧道直接過來。它是國際上巖石覆蓋最深的地下隧道。當然除了水流的隧道，還有交通的隧道。

我們看到這個消息時非常興奮，當時交大和清華大學就去雅礱江水電公司，詢問這個地方能否修一個地下實驗室。雅礱江公司是一個央企，非常有情懷——說這個地方能做科學研究，要比只是修一個交通隧道有意義得多。

因此，他們免費給我們提供了這樣的一個地方，建立了中國錦屏地下實驗室。他們又繼續在隧道邊上去擴挖，挖了一個非常大的實驗洞。

目前為止，隧道的二期工程已經完成了。在這張圖上可以看到，紅色代表的是隧道，藍色代表的是礦井。和世界各國比較，外國的有些實驗室，是坐著電梯到地下1000多米的地方做實驗，而我們是水平隧道。

而且這里是世界上最深的地下實驗室，因為我們頭頂上有2400米深的巖石覆蓋，而且可以把大型的實驗裝置，通過隧道開車進入實驗室，這有利于大科學裝置實驗的開展。

這是實驗室目前的情況：里面的空間非常開闊，山里四季恒溫、冬暖夏涼，基本上維持在18℃左右，非常舒適，為尋找信號提供了極其安靜的環境。

有了這個實驗室，我們就要開始做實驗。這個實驗是尋找稀有信號，也是在尋找暗物質。我們給這個實驗起了個名字 ——把“Particle and Astrophysical Xenon TPC（粒子和天體物理氙探測器）”這幾個英文字母排上去后，從中間挑了幾個排頭的字母，連起來正好形成了“PANDA X”。因此，我們把這個實驗叫做“熊貓實驗”，我們也把這個實驗，當國寶一樣來看待，這也和四川非常契合。

這是暗物質探測的一個利器 ——最后一個X代表的是氙。氙是一種惰性元素，空氣中有氦、氖、氬、氪、氙、氡。其實以前汽車的大燈，就是用氙燈去做的。它有什么好處呢？氙有非常優越的光電特性，稍微給它一點能量，它就會發光。同時，它還有其他的特性，可以用來進行暗物質 探測。

有了這個氙做靶子，我們就去尋找暗物質和氙碰撞的信號。既然它能發出178納米的紫外光，我們就用上下兩層的光電倍增管去探測。

下圖顯示的探測器就像照相機CCD一樣，上下兩面可以拍照，同時信號的能量還可以產生一些自由電子，因此我們就在這個地方加了一個垂直的電場，電子就順著電場往上漂，漂到一個地方會二次發光。通過兩次發光，我們就可以精確地測量碰撞的位置。

同時，我們還要求要精確地測量暗物質撞進來后，產生的能量是多少，而且要能區分這種暗物質信號，究竟是暗物質撞進來的，還是其他放射性粒子撞進來的。

液氙時間投影室就實現了這樣的功能。這個技術以前我們是沒有的——從2009年啟動了這個實驗，通過第一代120公斤的氙探測器，到第二代580公斤的探測器，我們終于完整地掌握了氙探測的技術。

但是，幾百公斤的探測器作用還是非常有限的，當時國際上已經開展了一噸量級的探測器。中國擁有世界上最好的地下實驗室，我們也要像接力棒一樣做到噸量級，而且我們要做得更好，要超越他們。

建造新一代液氙探測器

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2016年，我們就決定要建造國際新一代的、4噸級的液氙探測器。那時我加入了這個實驗。其實，粒子物理實驗和天文學實驗都有一個顯著的特點：即我們為了實現一個物理目標，需要自己從頭去建造一個探測器，沒有現成的儀器使用。

當時我們要建造4噸的探測器，它的直徑是1.2米，高度也是1.2米，國際上還沒有那么大的先例。我回國之前是做對撞機研究的，也沒做過探測器，所以心里一直在打鼓，不知道能不能做成這件事情。

不會做，我們就可以學。我承擔了這個項目——首先就會問自己，要把這個實驗做到比國際探測靈敏度強多少的呢？我們通常用散射截面來表征暗物質和普通物質相互作用的強度，如果要做到世界最好，這個數值就要達到10-47cm2。

要想達到這個靈敏度，就要對探測器的設計提出要求：在暗物質的信號區內，一噸的探測器中的噪聲事例數，每天不能超過一個。

這是我們設計的白皮書，發表在《中國科學》上，獲得了高被引的論文。那么如何實現這個靈敏度呢？腦子里想象的是一回事，把它做出來則是另一回事。

為此，我們就要一個零件、一個零件地畫。我們最終的探測器，是由幾千個零件組成——一共有上百張零件的圖紙，這個圖紙畫出來之后，還要和加工廠去迭代。因為我們腦子里想的圖紙，加工廠不一定能夠做出來，還需要不斷反復地去優化。這是第一個難題。

▲左：直徑1.2米，高度1.2米

右：光電倍增管設計圖紙

第二個難題在于，探測器既然要求放射性的雜質少，不能摻雜灰塵之類的雜質，我們就要在全國范圍內，去調研哪種材料能夠達到純凈標準。從原料開始到最后的成品件都要進行精確的篩選。

白色的叫聚四氟乙烯（PTFE）。這種材料有非常好的特性，它的別名叫做特氟龍，大家應該很熟悉，就是家里的不粘鍋。我們看到的不粘鍋是黑色的，真正純的特氟龍是白色的，又叫做“塑料之王”。它具有非常好的化學穩定性，不導電，還有絕緣性。而且對于氙產生的178 nm紫外光，具有95%以上的反射率。

▲聚四氟乙烯（ PTFE ）特氟龍，用于投影室壁和底材

因此，我們就用特氟龍作為整個探測器的基本框架：里面發光后，通過特氟龍反射到上下兩邊的光電倍增管上進行收集。而且這種材料，可以實現非常高的純度。

但這種材料，也有一些壞處。從圖上可以看到，它加工難度非常大。這里最長的一個零件是1.4米，加工出來是這個樣子。相比于藍色的線，它就彎了。我們也不知道是怎么回事，加工廠說是完全按照圖紙一點點做的。

為什么是彎的？我們后來和化工專家專門討論了這個問題。特氟龍的性質非常奇怪，它在19℃的時候會發生相變。加工的時候，溫度傳遞并不均勻。比如這個地方加工溫度過高，發生了形變但傳不到這邊去，這邊就跟著不變。因此，做大了很容易出現形變的問題，不能滿足我們的要求。我們和加工車間、化工專家反復地調整工藝流程，最終解決了大零件的形變問題。

整個探測器的制造，從2016年9月第一個零件加工出來之后，一直到2018年8月，經過兩年的時間，才把幾千個零件全部加工完成，而且確保每個零件都是用極低本底的材料，即放射性的雜質極少，達到ppt的水平，也就是10-12量級的雜質水平。

做完之后，就要把探測器的幾千個零件組裝起來。我們做了一個確保能夠完整地承受這么大量級的力學性能測試，以及進行高壓測試。到2019年的時候，我們才和其他一些系統，包括制冷系統、循環系統等等，進行聯合測試。2019年8月，所有探測器測試完成，開始真正地運到了錦屏地下實驗室，進行正式的安裝調試。

這是我們當時實驗的圖像，白色的是特氟龍組成的整體框架。所有的暗物質信號，都要打進這個特氟龍圍著的圓柱體中心。

這是下面的蜂窩結構，就是光電倍增管陣列。每個孔都要放一個光電倍增管進行探測。

這是高純銅做的一個電場的整形環，確保電場是均勻向上的，能夠保證很好的信號收集效率，以及位置重建的能力。

這就是光電倍增管 ——一個是3英寸的光電倍增管，能夠把一個光子的信號都讀出來，還要放大100萬倍，轉化成電的形式讀取出來。

最終，我們的探測器是要放在雙層的絕熱罐體里 ——氙是灌注在里面，而我們的探測器是浸泡在氙里面。這就是液氙的一個好處：液體的探測器很容易被做成各種各樣的形狀。

▲2019年8月，進駐錦屏地下實驗室正式安裝調試

我們是從2016年2月開始啟動這個實驗，到2020年11月份，歷經5年才完成了這個建設。這是一個非常漫長的過程。

▲2020年5月20日，液氙灌注，開始取數測試

然后，我們就開始取數，測試這個實驗到底行不行。很幸運的是，我們剛開機——2020年6月就看到了第一個物理的事例，表明我們這個探測器能夠正常地運行。

國際上也沒有停止腳步，他們也要做這種幾噸級的探測器——我們是國際上第一個投入運行的、新一代的多噸級液氙探測器，比他們要提前一年多的時間。

而我們這一代的實驗，要比上一代二期的實驗有大幅度的提升：探測的體量大大地增大了，探測能量的范圍也大大增大了，噪聲急劇地降低了。

▲左：PandaX-II

右：PandaX-4T

僅僅95天的試運行，我們就完成了它的分析，并發布在國際會議上。這個是它的結果圖：橫坐標是暗物質質量，我們也不知道暗物質質量是多少，這是一個自由的參數。縱坐標是暗物質和普通物質相互作用的強度。暗物質就像一條在水里游的魚，如果游得淺，我們就先探測這些強度高的信號。我們不斷地掃描，發現游得淺的地方都被掃描完了，然后就要開始往深水區掃。

這就是我們的探測靈敏度，要求掃描的范圍不斷地下降。這個結果也得到了國內外的廣泛關注。

同時我們的實驗繼續運行，我們想要不斷地拓展靈敏度，將掃描向下面和左邊——信號更弱、質量更小的部分推進。那要怎么去提升這樣的潛力呢？傳統的探測模式要求我們既有光信號，也有電子信號。而探測器能探測的最小能力，大概是2 keV的水平。如果要探測更弱的信號，就要把探測最小能量的閾值，向更低的地方推進。

那么，考慮到一種低閾值探測模式，我們就不要光了，只要電子信號就可以。電子信號可以把探測閾值降到0.5 keV。

但是，世界上沒有免費的午餐——這個圖是歐洲實驗組的結果，也就是我們國際上的競爭對手。可以看到黑色是數據點，而這個數據的數目遠遠超出我們預期的數量。這就意味著，這種低閾值的探測模式有大量的、難以理解的、低能量的噪聲。

意料之外的收獲

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經過一年多的研究，在2023年，我們首次完整評估了液氙探測器中低能量閾值的噪聲來源。這個評估鋪平了我們用低閾值去尋找暗物質的道路。

我們看到了這樣一個結果：綠色和黃色的，是探測器的低能量信號的噪聲事例貢獻。但是這個數據點是高于噪聲的——這讓我們很興奮，是不是我們已經看到了暗物質呢？這個數據點的超出是不是由暗物質引起的呢？

經過緊張的分析，我們發現這種信號，實際上來自中微子。中微子也可以和氙原子核發生碰撞，產生核反沖的信號。

中微子又是從哪里來的呢 ——它是太陽中微子。因為中微子和普通物質相互作用也非常弱，它的穿透能力非常強，可以穿透地球達到我們的實驗空間。這也是人類首次測量到太陽中微子和原子核發生相干散射的過程，標志著液氙實驗達到里程碑級的探測靈敏度。

我們意識到，這個實驗不僅能夠尋找暗物質，還能夠尋找低能量的中微子。它是中微子探測的新途徑。傳統的中微子探測器，需要幾萬噸的探測器。現在江門的一個實驗，直徑要達到30米這樣大的體量。

我們一個幾噸量級的探測器，也可以進行中微子探測。它可以來探測超新星爆發的中微子，還可以來監控核反應。因為核反應堆也可以產生中微子，還有核廢料發生核衰變也可以產生中微子。那么我們就可以把探測器放在核廢料和核反應堆的邊上，通過中微子來監控核反應里邊發生的情況。這是核安全監控重要的一環。

▲左：超新星爆發產生中微子

右：核反應產生中微子

用體量換時間

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我們還是回歸到主要的目標：尋找暗物質。這個黑色圈的區域，就是現在理論家預言的幾個暗物質可能存在的地方。

現在我們向深水區不斷地進行尋找，距離這個信號可能存在的區域，還有 1到2個數量級靈敏度的差異。我們怎么樣才能達到這個目標呢？這需要200噸年的曝光量——這就是說，我們用4噸的探測器運行50年，也就是200噸年，就能夠達到這樣一個目標。

但是50年，估計我早就退休了。于是我們決定用體量去換時間——不用4噸，而是用40噸的探測器運行五年的時間，就可以達到這個目標，從而對主流的暗物質理論進行關鍵性的檢驗。

目前，上海交通大學正在緊張地推進這個數十噸級的液氙探測技術的研發。我們的目標是在2027年，將20噸級的探測器投入運行。

暗物質這個概念是1933年被提出來，我們希望在運行后的5到10年，也就是2033年能夠回答“暗物質到底是什么”這樣的一個世紀難題。

謝謝大家！

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