从深地仰望宇宙，上海科普大讲坛揭秘暗物质到底有多“暗”

　　11月24日下午，由上海科技馆、上海市长宁区教育局和上海科普教育发展基金会共同主办，上海市长宁区少年科技指导站、上海市延安实验初级中学共同承办的上海科普大讲坛第233期活动在上海市延安实验初级中学举行。本次活动特邀上海交通大学特聘教授、博士生导师、上海交通大学粒子与核物理研究所副所长周宁开展题为《暗物质探测——深地实验室的宇宙观测者》科普讲座。

苍穹之问，物理学天空的“新乌云”

　　“日月安属？列星安陈？”——周宁教授以诗人屈原的千年叩问开场，引出了本期讲座的主题“暗物质探测”。从我国青海的冷湖天文台到太空中巡游的詹姆斯·韦布空间望远镜，“天地巨眼”使我们得以观测星系的运行；而研究微观粒子间的相互作用则让我们理解宇宙真正的运行法则。然而，观测或实验的结果也会与现有理论之间产生矛盾，同时带来物理学革命性的突破。“黑体辐射”与“光速不变”——这两朵经典物理学空中的乌云最终催生了量子力学与相对论。
　　而今天，我们正站在相似的历史节点——星系旋转曲线异常所揭示的“暗物质”和宇宙加速膨胀所指向的“暗能量”共同构成了当代物理学面临的最大挑战。
　　周宁提到：“‘暗物质’被李政道先生喻为‘笼罩20世纪末和21世纪初的最大乌云’。” 暗物质的“暗”表达了人类对它的认知边界。它不参与电磁相互作用，不发光，不与光发生作用，所有的望远镜都无法直接观测它；它与普通物质的相互作用极其微弱，每秒约有 10⁸个 暗物质粒子穿过人体，但人体内约 10²⁹个 原子核中，每年与暗物质发生碰撞的几率却不到1次；它的粒子不属于粒子物理的“标准模型”，也不在目前所知构成世界的基本粒子清单里。

极深地下，捕捉看不见的“暗物质”

　　为了捕捉这种几乎“隐身”的粒子，周宁及团队在四川锦屏山2400米深的地下实验室开始了由中国主导的PandaX液氙暗物质直接探测实验。他向同学们解释道：“在地表探测暗物质会面临‘反应弱’和‘噪声高’两大挑战，前者如同大海捞针，后者则如同在一片喧嚣中窃窃私语；而深入地下，厚实的岩层成为了天然屏障，几乎屏蔽了“宇宙射线”的干扰。”PandaX-4T是国际上首个4吨级液氙探测器，其中的液氙是暗物质最可能“撞到”的普通物质，一旦碰撞发出微弱的相互作用信号，就意味着可能捕捉到了深洞中暗物质的踪迹。从2009年至今的16年，周宁风趣地形容PandaX探测器的升级就好像是从一个“120公斤的液氙蛋糕”（一代）升级到一个“580公斤的冰淇淋筒”（二代），再到攻克并扫清放射性元素氪-85的巨大干扰，最终实现了PandaX-4T(四吨级实验)的正式运行，并获得了国际领先的探测灵敏度，将人类探测暗物质与普通物质相互作用的能力推向了新的极限。

极致探索，暗物质究竟有多“暗”？

　　讲座上，周宁向同学们讲述了PandaX获得的最新研究进展。PandaX合作组基于新一代PandaX-4T液氙探测器，对暗物质可能具有的亮度进行了测量，在国际上首次得到了对暗物质电荷半径性质的首个实验上限，比质子还要小10万倍，这也表明暗物质远比预期的要“暗”得多。
　　同时，随着探测灵敏度的不断提升, PandaX在去年还首次测量到太阳中微子和原子核相干弹性散射过程，这标志着实验达到里程碑级探测灵敏度，该成果也入选了美国物理学会2024年度十大亮点。
　　讲座最后，周宁将科幻作家刘慈欣的一句话送给同学们：“在我们走向未来的时候，我认为有一个品质至少我们应该把它保留下来。这个品质就是人类对于未知世界的探索愿望、好奇心，对于广阔宇宙开拓的进取精神”。现场700名师生为精彩的讲座热烈鼓掌。
　　在随后的互动环节，现场展开了热烈交流。从十六年深地坚守到问鼎《自然》的突破，周宁及其团队在科研一线的坚持也让同学们切身感受到了中国的科学家们极致探索、敢为人先的精神。本次讲座犹如一粒种子，将这份探索未知世界的热忱与勇气，深深植入了年轻学子们的心田。
　　上海科普大讲坛是由上海市科委指导、上海科技馆和上海科普教育发展基金会主办的一项集科学性、前瞻性、开放性、公益性于一体的科普活动。大讲坛携手不同领域的科学家，打造高质量的科学分享平台，传播“硬核”科学，为社会公众搭建起与科学家面对面交流的桥梁，有效促进科学文化的传播。自2009年第一期举办至今，邀请了诺奖获得者、院士、科学家、教育家、艺术家、企业家在内的475名专家开展了287场精彩纷呈的活动，累计3900多万名线上线下公众聆听了讲座。

文/图 科技馆展教中心