我们深入地下2400米的世界最深实验室，只为追踪这种笼罩银河系的神秘物质 | 科学讲坛——周宁|中微子|宇宙线起源|探测器|暗物质|粒子|银河系

它是20世纪到21世纪，

现代物理学最大的乌云，

预示着物理学的又一次革命。

周宁· 上海交通大学特聘教授

格致论道第124期 | 2025年10月25日北京

大家好，很高兴有机会和大家分享寻找暗物质的方式。

我是周宁，来自上海交通大学。在研究生阶段，我加入了欧洲核子中心，通过对撞机开展暗物质探测。2025年，我有幸和对撞机的同事们，获得了基础科学突破奖。

现代物理学最大的乌云

暗物质是一个非常重大的问题。李政道先生指出，它是20世纪到21世纪，现代物理学最大的乌云，预示着物理学的又一次革命。

为什么这么说呢？这要从暗物质的历史说起。暗物质是不发光、不吸收光的一种东西，它不能通过普通光学望远镜去观测，但是有引力相互作用。1933年，瑞士科学家弗里茨·兹威基首次发现或者说是推测出暗物质的存在。

这幅图是星系旋转曲线。想象一下，一颗恒星受到万有引力的作用，绕着星系的中心在旋转。随着距离的拉远，离星系越远，它受到的引力就越小，旋转的速度也会越小。

▲上：理论预期

下：实际观测

实际上，我们观测发现——距离远的恒星，速度并没有减弱。这就预示着需要大量的、看不见的物质，来提供这样强大的引力，否则这个恒星就会被甩出星系。

天文学家经过进一步研究发现，暗物质在宇宙中的质量和能量的占比，达到了26.8%，是普通物质的5倍以上。这大大地超出了我们的想象。

我们希望理解，这么多的暗物质，它的本质到底是什么？它的质量是什么样子？它和普通物质会发生怎样的相互作用？它会对我们产生什么样的影响？

世界上最深的地下实验室

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为了研究它，我以前用的方式是对撞机。所有的物质都是宇宙大爆炸产生的，换言之，对撞高能粒子的碰撞也有可能产生出暗物质。一旦产生暗物质，它就带着能量逃走了，因此它很难被探测到。

于是，我们就来寻找有能量丢失的信号。这是对撞机的一个特点。但是，对撞机也存在一些问题。它是可以通过对撞产生出来一些新的粒子——这些粒子不发光、不带电，但是它们不一定是宇宙中暗物质的主要组成部分。

因此，我们需要一种更直接的方式来寻找暗物质。哪里才能完成这件事呢？其实是银河系。银河系85%的成分是暗物质，即使在我们周围，每立方米的体积就有30万个质子质量的暗物质。它像雾霾一样笼罩在银河系，太阳系以220 km/s的速度围绕着银河系旋转，它穿越雾霾和暗物质发生碰撞，而我们就是来寻找碰撞的信号。

但是，它也存在巨大的挑战。首先，它的信号非常弱。每秒钟大概有一亿个暗物质撞到我们身体上。我们身体里的原子有天文数字这么多，但是每年暗物质和每个人碰撞的几率小于一次。不仅信号非常弱，噪声还非常高——我们周围有大量的宇宙线，还有放射性的粒子，它们和人体的碰撞每天要超过一亿次。

在这么多的噪声中，我们怎么去寻找这些微弱的信号呢？世界各国就想出各种各样的办法。比如我们去医院拍X光，为了防止辐射，要穿着铅服来屏蔽辐射。国际上就把探测器放到地底下，用地球进行屏蔽。

这个是世界上的地下实验室，大概从七八十年代就有了。暗物质的直接探测也延续了40多年。

中国一直在等待这个机会，因为之前没有地下实验室——直到2008年8月8日，《新闻联播》有这样一个报道：在四川雅砻江，这条江绕着一座山转了一圈，那座山叫锦屏山。

我们见到大江大河就喜欢修水电站，为了让水从高处流向低处，最简单的方法就是干脆把这座山打穿。2008年，隧道建成了，水就从隧道直接过来。它是国际上岩石覆盖最深的地下隧道。当然除了水流的隧道，还有交通的隧道。

我们看到这个消息时非常兴奋，当时交大和清华大学就去雅砻江水电公司，询问这个地方能否修一个地下实验室。雅砻江公司是一个央企，非常有情怀——说这个地方能做科学研究，要比只是修一个交通隧道有意义得多。

因此，他们免费给我们提供了这样的一个地方，建立了中国锦屏地下实验室。他们又继续在隧道边上去扩挖，挖了一个非常大的实验洞。

目前为止，隧道的二期工程已经完成了。在这张图上可以看到，红色代表的是隧道，蓝色代表的是矿井。和世界各国比较，外国的有些实验室，是坐着电梯到地下1000多米的地方做实验，而我们是水平隧道。

而且这里是世界上最深的地下实验室，因为我们头顶上有2400米深的岩石覆盖，而且可以把大型的实验装置，通过隧道开车进入实验室，这有利于大科学装置实验的开展。

这是实验室目前的情况：里面的空间非常开阔，山里四季恒温、冬暖夏凉，基本上维持在18℃左右，非常舒适，为寻找信号提供了极其安静的环境。

有了这个实验室，我们就要开始做实验。这个实验是寻找稀有信号，也是在寻找暗物质。我们给这个实验起了个名字 ——把“Particle and Astrophysical Xenon TPC（粒子和天体物理氙探测器）”这几个英文字母排上去后，从中间挑了几个排头的字母，连起来正好形成了“PANDA X”。因此，我们把这个实验叫做“熊猫实验”，我们也把这个实验，当国宝一样来看待，这也和四川非常契合。

这是暗物质探测的一个利器 ——最后一个X代表的是氙。氙是一种惰性元素，空气中有氦、氖、氩、氪、氙、氡。其实以前汽车的大灯，就是用氙灯去做的。它有什么好处呢？氙有非常优越的光电特性，稍微给它一点能量，它就会发光。同时，它还有其他的特性，可以用来进行暗物质探测。

有了这个氙做靶子，我们就去寻找暗物质和氙碰撞的信号。既然它能发出178纳米的紫外光，我们就用上下两层的光电倍增管去探测。

下图显示的探测器就像照相机CCD一样，上下两面可以拍照，同时信号的能量还可以产生一些自由电子，因此我们就在这个地方加了一个垂直的电场，电子就顺着电场往上漂，漂到一个地方会二次发光。通过两次发光，我们就可以精确地测量碰撞的位置。

同时，我们还要求要精确地测量暗物质撞进来后，产生的能量是多少，而且要能区分这种暗物质信号，究竟是暗物质撞进来的，还是其他放射性粒子撞进来的。

液氙时间投影室就实现了这样的功能。这个技术以前我们是没有的——从2009年启动了这个实验，通过第一代120公斤的氙探测器，到第二代580公斤的探测器，我们终于完整地掌握了氙探测的技术。

但是，几百公斤的探测器作用还是非常有限的，当时国际上已经开展了一吨量级的探测器。中国拥有世界上最好的地下实验室，我们也要像接力棒一样做到吨量级，而且我们要做得更好，要超越他们。

建造新一代液氙探测器

已完成：50%//////////

2016年，我们就决定要建造国际新一代的、4吨级的液氙探测器。那时我加入了这个实验。其实，粒子物理实验和天文学实验都有一个显著的特点：即我们为了实现一个物理目标，需要自己从头去建造一个探测器，没有现成的仪器使用。

当时我们要建造4吨的探测器，它的直径是1.2米，高度也是1.2米，国际上还没有那么大的先例。我回国之前是做对撞机研究的，也没做过探测器，所以心里一直在打鼓，不知道能不能做成这件事情。

不会做，我们就可以学。我承担了这个项目——首先就会问自己，要把这个实验做到比国际探测灵敏度强多少的呢？我们通常用散射截面来表征暗物质和普通物质相互作用的强度，如果要做到世界最好，这个数值就要达到10-47cm²。

要想达到这个灵敏度，就要对探测器的设计提出要求：在暗物质的信号区内，一吨的探测器中的噪声事例数，每天不能超过一个。

这是我们设计的白皮书，发表在《中国科学》上，获得了高被引的论文。那么如何实现这个灵敏度呢？脑子里想象的是一回事，把它做出来则是另一回事。

为此，我们就要一个零件、一个零件地画。我们最终的探测器，是由几千个零件组成——一共有上百张零件的图纸，这个图纸画出来之后，还要和加工厂去迭代。因为我们脑子里想的图纸，加工厂不一定能够做出来，还需要不断反复地去优化。这是第一个难题。

▲左：直径1.2米，高度1.2米

右：光电倍增管设计图纸

第二个难题在于，探测器既然要求放射性的杂质少，不能掺杂灰尘之类的杂质，我们就要在全国范围内，去调研哪种材料能够达到纯净标准。从原料开始到最后的成品件都要进行精确的筛选。

白色的叫聚四氟乙烯（PTFE）。这种材料有非常好的特性，它的别名叫做特氟龙，大家应该很熟悉，就是家里的不粘锅。我们看到的不粘锅是黑色的，真正纯的特氟龙是白色的，又叫做“塑料之王”。它具有非常好的化学稳定性，不导电，还有绝缘性。而且对于氙产生的178 nm紫外光，具有95%以上的反射率。

▲聚四氟乙烯（ PTFE ）特氟龙，用于投影室壁和底材

因此，我们就用特氟龙作为整个探测器的基本框架：里面发光后，通过特氟龙反射到上下两边的光电倍增管上进行收集。而且这种材料，可以实现非常高的纯度。

但这种材料，也有一些坏处。从图上可以看到，它加工难度非常大。这里最长的一个零件是1.4米，加工出来是这个样子。相比于蓝色的线，它就弯了。我们也不知道是怎么回事，加工厂说是完全按照图纸一点点做的。

为什么是弯的？我们后来和化工专家专门讨论了这个问题。特氟龙的性质非常奇怪，它在19℃的时候会发生相变。加工的时候，温度传递并不均匀。比如这个地方加工温度过高，发生了形变但传不到这边去，这边就跟着不变。因此，做大了很容易出现形变的问题，不能满足我们的要求。我们和加工车间、化工专家反复地调整工艺流程，最终解决了大零件的形变问题。

整个探测器的制造，从2016年9月第一个零件加工出来之后，一直到2018年8月，经过两年的时间，才把几千个零件全部加工完成，而且确保每个零件都是用极低本底的材料，即放射性的杂质极少，达到ppt的水平，也就是10-12量级的杂质水平。

做完之后，就要把探测器的几千个零件组装起来。我们做了一个确保能够完整地承受这么大量级的力学性能测试，以及进行高压测试。到2019年的时候，我们才和其他一些系统，包括制冷系统、循环系统等等，进行联合测试。2019年8月，所有探测器测试完成，开始真正地运到了锦屏地下实验室，进行正式的安装调试。

这是我们当时实验的图像，白色的是特氟龙组成的整体框架。所有的暗物质信号，都要打进这个特氟龙围着的圆柱体中心。

这是下面的蜂窝结构，就是光电倍增管阵列。每个孔都要放一个光电倍增管进行探测。

这是高纯铜做的一个电场的整形环，确保电场是均匀向上的，能够保证很好的信号收集效率，以及位置重建的能力。

这就是光电倍增管 ——一个是3英寸的光电倍增管，能够把一个光子的信号都读出来，还要放大100万倍，转化成电的形式读取出来。

最终，我们的探测器是要放在双层的绝热罐体里 ——氙是灌注在里面，而我们的探测器是浸泡在氙里面。这就是液氙的一个好处：液体的探测器很容易被做成各种各样的形状。

▲2019年8月，进驻锦屏地下实验室正式安装调试

我们是从2016年2月开始启动这个实验，到2020年11月份，历经5年才完成了这个建设。这是一个非常漫长的过程。

▲2020年5月20日，液氙灌注，开始取数测试

然后，我们就开始取数，测试这个实验到底行不行。很幸运的是，我们刚开机——2020年6月就看到了第一个物理的事例，表明我们这个探测器能够正常地运行。

国际上也没有停止脚步，他们也要做这种几吨级的探测器——我们是国际上第一个投入运行的、新一代的多吨级液氙探测器，比他们要提前一年多的时间。

而我们这一代的实验，要比上一代二期的实验有大幅度的提升：探测的体量大大地增大了，探测能量的范围也大大增大了，噪声急剧地降低了。

▲左：PandaX-II

右：PandaX-4T

仅仅95天的试运行，我们就完成了它的分析，并发布在国际会议上。这个是它的结果图：横坐标是暗物质质量，我们也不知道暗物质质量是多少，这是一个自由的参数。纵坐标是暗物质和普通物质相互作用的强度。暗物质就像一条在水里游的鱼，如果游得浅，我们就先探测这些强度高的信号。我们不断地扫描，发现游得浅的地方都被扫描完了，然后就要开始往深水区扫。

这就是我们的探测灵敏度，要求扫描的范围不断地下降。这个结果也得到了国内外的广泛关注。

同时我们的实验继续运行，我们想要不断地拓展灵敏度，将扫描向下面和左边——信号更弱、质量更小的部分推进。那要怎么去提升这样的潜力呢？传统的探测模式要求我们既有光信号，也有电子信号。而探测器能探测的最小能力，大概是2 keV的水平。如果要探测更弱的信号，就要把探测最小能量的阈值，向更低的地方推进。