02．地下幽灵

永野间淳二（Junji Naganoma）坐在他的办公桌前，研究着电脑屏幕上的图表和数字。你可能会想，一切如常。但这不是一间普通的办公室。桌子周围堆满了架子、板条箱和成堆的盒子。永野间博士头戴安全头盔，身披大衣——这里最多约10摄氏度，而且没有阳光。他的“办公室”是一道百米长的山洞，潮湿的墙壁上是昏暗的泛光灯，两旁布满了管道和电缆。这里到处是巨型设备，光凭外观很难明白它们的用途。几个宽度足以让卡车通过的维修隧道将这个山洞与另外两个类似大小的山洞连接起来。整个建筑群坐落于意大利亚平宁山脉近一英里[1]深的岩石之下。

欢迎来到意大利格兰萨索国家实验室，世界上最大的地下物理实验室。[1]在B厅，来自24个国家的科学家和技术人员正在建造XENONnT，这是他们用于直接探测暗物质粒子的最新版的最灵敏的实验装置。来自日本的博士后永野间正在一个临时的无尘室里检查测试结果；箱子里有几十个易碎的光电倍增管等待安装，它们由一所德国大学制造。在我2019年年底访问期间，XENONnT已接近完成。[2]当你读到这里的时候，它应该正在积极地收集数据，寻找看不见的东西。

在寻找我们之前一无所知的新事物方面，天文学有着悠久的历史。随着时间的推移，特别是在4个多世纪前望远镜被发明之后，我们的宇宙发现列表变得越来越长。天文学家发现了围绕木星运行的卫星、太阳系外的行星、亿万颗恒星、气体星云，以及无数与银河系相似的星系。但是，所有这些宇宙居民都可以被观测到，要么用经典的“光学”望远镜，要么用探测X射线、紫外线或无线电波的仪器——这些频率的光是人眼无法察觉的，但是可以通过专门设计的照相机来识别。

寻找不可见的东西则不同。只有在它通过影响周围环境的性质或行为而在其可见的周围环境中留下某种标记的前提下，它才能被发现。我阁楼里的一个密封纸箱里的东西是看不见的，但我知道这些东西在里面，因为它们使箱子更重，更难移动。桌子下面看不见的磁铁可以让桌面上的铁屑形成明显的图案。H. G. 威尔斯1897年的科幻小说《隐形人》中，主角格里芬在泥土中留下了脚印，让所有人都能看到。[3]有句话说得好，现象背后有文章。

在更广阔的宇宙中，通常是引力产生影响，留下印记，从而向研究人员暗示有看不见的东西存在。引力的影响是相当容易区分的，因为引力在宇宙中是独一无二的。它是自然界中唯一的长程力，且始终是吸引力。质量越大，引力就越大，引力的影响就越强。（相比之下，作用于带电粒子的电磁力既可以是吸引力，也可以是排斥力，而且在大尺度上，这些影响通常会抵消。）引力支配着行星的运动、星系的结构，以及整个宇宙的演变。当然，还有苹果从树上掉下来的方式，艾萨克·牛顿在1687年系统性阐述万有引力定律的几年前，独自一人在自家花园里就注意到了这一点。

仅仅通过研究引力的影响，天文学家就发现了海王星、天狼星的白矮星伴星、太阳系外行星以及我们银河系中心的超大质量黑洞的踪迹。正如看不见的狮鹫一样，所有这些天体都在淤泥中留下了它们的引力足迹，从而暴露了它们的存在。

如果你看到淤泥中的足迹，却无法认出那个隐形人，该怎么办？不要紧，你知道他一定在那里，而且通过仔细研究他的脚印，你或许可以了解不少关于他的情况。以系外行星为例，根据对它们的观测，天文学家可以推断出行星的轨道周期、行星与母恒星之间的距离（以及行星的温度），甚至可以推断出行星的质量。你无须真正看到这颗行星，仅仅测量它的引力影响就足够了。

在格兰萨索实验室，科学家也试图通过研究可观测的印记来了解这种不可见的东西。然而，这一次，印记不是由引力产生的。山洞中的研究人员正在寻找暗物质粒子，它们如果存在的话，肯定有质量，但无法根据它们的引力影响来探测到它们。在单个粒子的尺度上，引力是微弱的。只有在大尺度上，当大量粒子的吸引力加起来时，引力的影响才会显现出来。所以，仅凭这一点，单个暗物质粒子永远不会施加足够的引力来显现自己。但是，既然粒子（包括假定的暗物质粒子）都有质量，它们也就具有能量。因此，通过它们与“正常”物质（比如格兰萨索的科学家所使用的元素——氙）的原子核的碰撞，我们有可能逐个发现它们。暗物质粒子和氙原子核之间的相互作用会产生微小的闪光，这正是科学家希望探测到的。因此，需要光电倍增管。

不过，像格兰萨索这样的实验面临着一些困难。问题在于，当原子被不太神秘的亚原子“子弹”击中时也会产生同样的闪光，这些“子弹”被统称为宇宙射线粒子。宇宙射线是来自外太空的能量信使。它们中的大多数是质子，即氢原子的原子核。进入地球的大气层后，它们在到达地球表面之前会与氮和氧的原子和分子发生碰撞。其结果就是到达地球表面时发生次生粒子的“空气簇射”。

如果你在找寻暗物质的相互作用，那么这些次生宇宙射线粒子就是一种实验噪声源。而且，众所周知，在嘈杂的环境中很难听到针落地的声音。这就是亚平宁石灰岩的用武之地。虽然暗物质很容易穿过一英里的岩石（毕竟，这种奇怪的东西很少与正常物质相互作用，否则我们很久以前就会发现它），但大多数次生宇宙射线粒子（主要是带负电的介子）被有效地阻挡了。就粒子相互作用而言，格兰萨索实验室是非常“寂静”的。

棒极了。但是你该如何资助、建造并管理一个像中世纪大教堂一样庞大的地下实验室呢？早在1980年，核物理学家安东尼奥·齐基基（Antonino Zichichi）就知道该如何拉线了。当时，意大利的政客考虑在亚平宁山脉下修建一条高速公路隧道，为位于第勒尼安海沿岸的罗马和东海岸的亚得里亚海提供一条快速连接通道。时任意大利国家核物理研究所（INFN）所长的齐基基建议再多挖掘一点儿。毗邻隧道的大型地下物理实验室将确立意大利在该领域的领先地位。

一切如齐基基所愿。隧道于1984年竣工，次年，INFN实验室成立。到了1989年，第一次地下实验开始运行，开始寻找磁单极子——大爆炸遗留下来的奇怪的假想粒子，可惜没有成功。随后的几年，该设施的体积扩建到了惊人的18万立方米，来自世界各地的约1 100名科学家参与实验。

格兰萨索隧道位于意大利阿布鲁佐地区首府中世纪古城拉奎拉（意为“鹰”）的东部。[4]24号高速公路从罗马到拉奎拉，蜿蜒穿过一片迷人的景观，穿越许多国家公园和自然保护区，因此这条公路也被称为“公园大道”。但一进入拉奎拉，我就痛苦地意识到这些自然美景是有代价的。亚平宁山脉——意大利在地质学上的脊柱——容易遭受地震的影响，2009年4月6日凌晨，一场6.3级的地震摧毁了这座标志性城市中心的大部分地区，导致300多人死亡。

拉奎拉还在慢慢恢复中。天际线被建筑起重机所占据，许多拥有数百年历史的教堂仍在等待全面修复。陡峭的鹅卵石街道上到处是混凝土搅拌机、手推车，以及叮叮当当的敲击声。三角锥路障和隔离带随处可见。大多数房屋都被脚手架和防护网包裹着。这是令人沮丧的景象，我很难想象重建一座城市，只是为了等待下一次不可避免的地震所需要的毅力和决心。一时间，粒子物理学家寻找暗物质的毅力与之相比显得徒劳而奢侈。

在靠近拉奎拉的地标性建筑夜光喷泉（一个顶部有两个青铜女性裸体的夜光喷泉）的地方，奥克·彼得·科莱恩（Auke Pieter Colijn）开车接我去10千米外的实验室的地上办公室，位于大萨索山的西坡上。科莱恩是XENONnT的技术协调员。他也是给这个实验起这个怪名字的人。格兰萨索之前的暗物质实验使用了大约一吨的液态氙作为暗物质探测器，因此被称为“XENON1T”（氙1吨）。但新实验中氙的数量在相当长的一段时间内都没有确定，因此科莱恩建议将其命名为“XENONnT”（氙n吨），其中n代表任意数字。实验用的氙总量最终定为8吨，但这个听上去有点儿“宅”的名字沿用了下来。

科莱恩是一位年近50岁的高大、瘦削且随和的物理学家，他穿梭于荷兰国家亚原子物理研究所、阿姆斯特丹大学和乌得勒支大学以及格兰萨索大学之间。在意大利，他的大多数同事只知道他叫AP，因为他的荷兰语名字太难念了。科莱恩和我简单地参观了实验室的“外部设施”，这是一个由办公室和工作间稀疏排列而组成的办公区，还拥有一个提供口味极好的浓缩咖啡的食堂。之后，我们再次驾车驶入A24号公路，向东进入大萨索山隧道。几分钟后，我们来到了坚硬岩石下方1 400米深处，安全地避开了嘈杂的宇宙射线粒子。但是等等，实验室在哪里？

科莱恩告诉我，它在高速公路的北侧，只能从西行隧道进入。他沿着出口来到了“书呆子环岛”，这是回到隧道和到达地下设施入口的唯一途径。他打趣说，如果你忘了带螺丝刀，那这就是一段相当令人沮丧的绕行路。在通过一道安全门并停好车后，我们穿着结实的鞋子，戴着安全头盔，开始了我们的山洞漫步。

我告诉自己：这就是物理学家希望解决暗物质之谜的地方。如果他们的理论是正确的，那么幽灵粒子就在我们周围，问题在于如何捕捉到它们。

垂直于高速公路隧道的三个巨大山洞中出奇地静。平均而言，任何时候都可能有20多人在地下工作，但这个地方是如此之大，以至于你几乎注意不到他们。每个昏暗的大厅长约100米，宽20米，高18米。无论你走到哪里，都会听到设备和机器的嗡嗡声，偶尔还会听到巨大的通风设备和空调发出的响亮的隆隆声。

除了XENONnT，格兰萨索实验室还有更多的东西。我们绕过Borexino实验的水箱，敬畏地站在一个大体积探测器前。这是两个研究中微子的巨型设施，中微子是一种难以捉摸、不带电的亚原子粒子，它们可能在解开暗物质之谜方面发挥关键性作用（见第23章）。[5]我们经过了许多其他的物理实验仪器，有些规模不大，有些则像房子一般大。它们有着像CUPID（丘比特）、VIP、COBRA（眼镜蛇）和GERDA这样人为设计的首字母缩写，且都在专注于自己的业务：这里有一个嘶嘶作响的阀门，那里有一个振动的表盘，到处都是计算机设备的架子和闪烁的LED控制灯。[6]

难懂的设备，诡异的气氛，异常的荒凉感，这座地下实验室感觉就像一艘废弃的外星货船，或者世界末日时的一座秘密军事基地遗迹。的确，当未来的考古学家在数千年后发现这个奇怪的地方时，他们将会如何看待我们的目标和动机？

最后，我们来到了B厅，XENONnT的所在之处。我之前看过它的照片，但这丝毫没有影响此刻这一实验装置给我带来的震撼。紧挨着一个巨大的圆柱形水箱的是醒目的长方形的三层控制大楼，它的玻璃幕墙极具未来感。控制楼的一侧是楼梯，另一侧则与水箱相邻。玻璃结构看起来就像宇宙对暗物质一般透明。用于将液态氙保持在零下95摄氏度的低温设备储存在顶层，控制室和数据采集系统在第二层，而氙的储存及提纯仪器在底层——所有这些都是为了检测神秘物质而努力的一部分，但没有人真正确定它的存在。

这个10米高的水箱外部挂着一张巨大的印在防水油布上的水箱内部照片，给了人水箱透明的印象。水箱里有70万升水，探测器悬浮在水箱中。探测器是一个与水箱类似的容器，里面装满了刚好8 000千克的超纯超冷的液体氙。在容器的顶部和底部是贴着数百个灵敏的光电倍增管的镀板，用以监测氙原子核被暗物质粒子击中时发出的微弱而短暂的紫外闪光。为了增加检测到闪光的机会，水箱的内壁覆了层具有高紫外线反射率的特氟龙。

我们必须非常小心地消除所有可能产生类似于科学家所期望的氙核与暗物质粒子碰撞信号的粒子相互作用。即使是1 400米的坚硬岩石也不足以阻挡每一个宇宙射线µ子；每100万个µ子中就有一个能穿透到这个深度。当µ子偶尔与周围的岩石相互作用时，就会产生中子。这些中子很容易干扰实验，因为它们也会撞向氙核，产生紫外线闪光，模仿暗物质粒子的预期行为。这就是这个仪器被放置在一个装满纯净水的大水箱中的原因之一：水是一种有效的中子吸收剂。

然后，还要考虑自然放射性，即重核逐渐衰变为轻核，在此过程中会发射α粒子、电子和高能的伽马射线光子。所有这些衰变产物都会在测量中产生背景噪声。氙容器的焊接缝不断地泄漏放射性氡原子。自从我们决定测试和部署核武器以来，放射性氪的踪迹在我们的星球上简直无处不在。而市面上购买的氙总是含有微量的放射性氚。为了最大限度地减少这些污染物的不利影响，液态氙在不断地被水箱旁边透明建筑中的巨大蒸馏塔净化。

这种检测技术的想法（你会在第18章中读到更多的详细信息）可以追溯到20世纪末。XENON项目于2001年由哥伦比亚大学的意大利裔物理学家埃伦娜·阿普里莱（Elena Aprile）发起，据科莱恩说，她是一个“相当有个性的人”。这个不断发展的国际合作项目已经建造了一系列越来越大的探测器，从最开始的3千克原型机到目前8 000千克的庞然大物，每一步都在提高实验的灵敏度。阿普里莱仍然是实验的负责人。

科莱恩还告诉我，XENONnT最大的竞争对手是美国南达科他州桑福德地下研究所的名为“LUX-ZEPLIN”的类似实验。该项目的负责人是布朗大学的物理学家理查德·盖茨克尔（Richard Gaitskell），他与阿普里莱在XENON项目上合作了好几年，但在2007年，合作破裂了。参与XENON的大多数美国研究组决定与盖茨克尔一起开发他们自己的探测器。还有就是PandaX（粒子和天体物理氙探测器），这是位于中国锦屏地下实验室的一个大型氙-暗物质实验仪器，它是直接探测暗物质的另一个竞争者。

尽管几十年来没有任何结果，尽管这个地方与世隔绝，但参观格兰萨索国家实验室仍令人感到鼓舞和振奋。在这里以及其他几个类似的实验室里，杰出的物理学家正在利用人类有史以来最灵敏的仪器来探索他们认为是宇宙中最丰富且最神秘的成分。这些研究人员的奉献精神令人印象深刻，他们的信心具有感染力。当然，我们正处于取得突破性发现的边缘——如果不是通过XENONnT或其“竞争对手”，那么很可能是通过格兰萨索的其他小型暗物质实验仪器，比如DarkSide、CRESST、DAMA和COSINUS。[7]只要这个顽固的粒子选择暴露自己，那么无论多么短暂，它都会在我们的高科技设备上留下一个微小但能够探测到的印记。

有没有可能，这终究只是一场对幽灵的追逐？会不会我们所有的努力都是徒劳的？我们是否注定要失败，因为没有探测器能够分离出这种难以捉摸的粒子，又或者是因为这种粒子实际上并不存在？我们在格兰萨索的一天结束了，当我们走向汽车，然后驶出隧道来到阳光下的时候，我问科莱恩，他对这种失败的情景以及暗物质物理学的挫败有何想法。如果你的整个职业生涯都是一场无望的追逐呢？

令人惊讶的是，科莱恩并没有因为可能失败的前景而感到沮丧。首先，他并不确定暗物质是否存在，也没有选择立场。他说：“只有当我看到它时，我才会相信它。”驱动科莱恩的并不是对发现暗物质粒子的渴望。相反，他对实验本身的技术挑战更感兴趣——帮助建立一个极其安静的仪器的机会，使其不受任何可以想到的外部或内部噪声的影响。他说，无论结果如何，建造像XENONnT这样的探测器都将有利于科学。新一代的物理学家正在学习如何达到极限，然后从那里突破界限。他得到的最高奖赏是：与优秀团队合作的快乐。

当天晚上，我和科莱恩以及包括永野间淳二在内的6位团队成员共进晚餐。在拉奎拉的城堡大街上有一个叫Arrosticini Divini的餐馆，它靠近中世纪的圣玛丽亚-帕加尼卡教堂的遗迹，我们在此享用了龙胆甜酒、传统的阿布鲁兹羊肉串和当地的蒙特普尔恰诺葡萄酒。在那场毁灭性的地震发生10多年后，市中心大部分饱受摧残的瓦顶建筑仍然无人居住，但酒吧和餐馆却熙熙攘攘。拉奎拉人拒绝屈服，哪怕是最大的危机，他们也决心克服。

同样，在座的青年男女（在我眼中，他们看起来就像男孩和女孩一样）决心面对每一个挑战，并克服科学探索中的任何挫折，以解答自然界迄今为止呈现出的最大谜团之一。天文学家们在20世纪70年代发现暗物质存在的第一个有力的证据时，这群人甚至还没有出生。但愿他们能活到庆祝这个谜团的揭开。

这个领域的先驱则没有那么幸运了。

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[1]1英里≈1.6千米。——编者注