一組天體粒子物理學(xué)家正在位于英國約克郡地下超過半英里(約合804米)的實(shí)驗(yàn)室搜尋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)非常神秘，一直就是最大的宇宙謎團(tuán)之一，即使參加這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家也不確定暗物質(zhì)是否真實(shí)存在或者最終能否發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)。3月，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將浮出水面，如果如愿以償?shù)匕l(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)將徹底改變科學(xué)界的面貌。

　　位于地下深處

　　搭乘一個(gè)漆黑一片的狹窄貫籠，感受氣流在身邊迅速穿過，經(jīng)過6分半的下降之旅，你便來到這個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室最深處與地面的距離超過0.5英里，位于北約克郡荒野地下，溫度達(dá)到40攝氏度。如果出現(xiàn)任何差錯(cuò)，你將困在充滿水的巖層下方，深度達(dá)到33名智利礦工被困礦井的兩倍。慶幸的是，這些礦工最終成功獲救。

　　當(dāng)然了，在冬季的早晨，搭乘貫籠進(jìn)入波爾比鉀鹽礦的科學(xué)家并沒有這種擔(dān)憂。如果有此擔(dān)憂，他們無疑選錯(cuò)了地方。為了成功完成尋找和研究暗物質(zhì)的這項(xiàng)工作，他們只能進(jìn)入地下深處，防止遭到轟擊地球表面的宇宙射線和輻射的影響。

　　他們身穿橙色連體工裝，佩戴護(hù)脛，腳蹬安全靴，頭戴安全帽，帽子上裝有照明燈，身上還綁著一條大帶子，同時(shí)配備必需的自救設(shè)備 (緊急呼吸器)。雖然從裝扮上看，他們與礦工并無差異，實(shí)際上，他們的真實(shí)身份是物理學(xué)家，進(jìn)入礦井的目的并不是為了尋找這座礦井的主產(chǎn)品——鉀鹽和巖鹽，而是尋找更為難于捉摸的暗物質(zhì)。迄今為止，還沒有人證明暗物質(zhì)真實(shí)存在。

　　在礦井的底部，礦工朝著一個(gè)方向——朝向礦井一面——前進(jìn)，科學(xué)家則朝著另一個(gè)方向前進(jìn)，穿過一條長地道向地下前進(jìn)。礦井的這部分呈蜂窩結(jié)構(gòu)，地道的總長度超過600英里(約合965公里)。只要不想到上方的巖石和水，你不會(huì)得幽閉恐怖癥。地道內(nèi)又高有寬，可并排容納兩輛路虎汽車。據(jù)一名煤礦礦工透露，由于地道主要是在巖鹽礦脈中挖掘，封閉的速度較為緩慢。這里的溫度較為適度，礦井內(nèi)的鹽就在嘴邊，呼吸的空氣能夠感覺到鹽的氣息。

　　進(jìn)入前先吸塵

　　科學(xué)家爬進(jìn)一輛使用柴油機(jī)的路虎，其在制造上能夠在地下使用時(shí)保證消防安全。在前行了800碼(約合731米)后，他們將車停在旁邊的一個(gè)小地道內(nèi)。這條地道通往一個(gè)采用膠合板結(jié)構(gòu)的簡易交流區(qū)。來自上方的壓力導(dǎo)致這里開始出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)正等待重建。

　　在交流區(qū)暫作休息，喝一杯咖啡之后，他們沿著一條狹窄的通道繼續(xù)向下前進(jìn)，進(jìn)入一個(gè)更衣區(qū)。在這里，他們換上干凈的靴子和帽子，穿上一次性拉鏈?zhǔn)桨咨�連體工裝。地下實(shí)驗(yàn)室一定要保持潔凈，這也就是為什么他們在進(jìn)入前就換上干凈的工作服。此外，他們還要穿過一個(gè)封閉的真空吸塵裝置，吸掉身上的每一粒塵土。形象地說，就如同洗了一個(gè)澡。完成這些準(zhǔn)備工作之后，他們才可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

　　這個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室并不起眼，長300英尺(約合91米)，墻壁采用紫紅色防火涂料，看上去有點(diǎn)恐怖。頂部是滑行裝置，用于兩噸重的起重機(jī)運(yùn)送重型設(shè)備，墻邊擺著大量測量設(shè)備、電腦顯示器、表盤、電線和儀表。中央是兩個(gè)主實(shí)驗(yàn)儀器，表面上體現(xiàn)不出它們的重要性。它們將幫助科學(xué)家揭開宇宙的一個(gè)最大謎團(tuán)。

　　其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器主要由一個(gè)巨大的盒子構(gòu)成，體積70立方英尺(約合2立方米)，外面包裹著難看的透明聚丙烯塑料布，看起來似乎是最近才運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室的，上沒來得及拆封。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備也是一個(gè)立方體，現(xiàn)已被大卸八塊，來自加利福尼亞州的一名教授正對其進(jìn)行維修。這個(gè)設(shè)備由一系列框架構(gòu)成，好似一個(gè)雞蛋切片機(jī)，它的電線很細(xì)，細(xì)到讓人不敢近距離觀察，唯恐一不小心摔倒，壓壞這個(gè)造價(jià)數(shù)千英鎊的設(shè)備。

　　這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器一個(gè)是暗物質(zhì)探測器，被稱之為“ZEPLIN-III”，另一個(gè)是暗物質(zhì)望遠(yuǎn)鏡，被稱之為“DRIFT-II”，它們均在與時(shí)間賽跑，尋找在宇宙中占據(jù)重要位置的暗物質(zhì)�？茖W(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)在宇宙的比重高達(dá)80%以上。

　　可能一無所獲

　　在科學(xué)界，尋找暗物質(zhì)是眾多物理學(xué)家為之奮斗的目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)者的名字將被永遠(yuǎn)載入史冊，與牛頓和愛因斯坦齊名。但令人感到備受挫折的是，這種物質(zhì)非常神秘，參與這一項(xiàng)目的科學(xué)家中沒有一個(gè)人確切知道暗物質(zhì)是否真實(shí)存在。

　　歐洲核子研究組織耗資60億英鎊(約合96億美元)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)座落于瑞士，尋找暗物質(zhì)也是這一龐大項(xiàng)目的目標(biāo)之一。此外，美國和歐洲的其他一系列項(xiàng)目也將尋找暗物質(zhì)作為一個(gè)重要目標(biāo)。英國此次尋找暗物質(zhì)的努力一年的費(fèi)用不到100萬英鎊(約合160萬美元)。

　　加利福尼亞州教授斯諾登·伊夫特從洛杉磯的西方學(xué)院飛到英國，進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室修理暗物質(zhì)望遠(yuǎn)鏡。他表示：“我真的不知道我正在尋找的這種粒子是否真實(shí)存在。我們可能只是白費(fèi)心機(jī)，根本找不到暗物質(zhì)。”

　　如何成功發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)呢?ZEPLIN-III項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、倫敦帝國學(xué)院講師亨里克·阿勞霍博士表示：“如果能夠發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，我們將最終解答物理學(xué)上的一個(gè)重大疑問�！币练蛱亟淌谀樕系男θ莞嬖V我們，尋找暗物質(zhì)的努力最終徒勞無功的可能性并不像他開玩笑時(shí)說的那么小。在他眼里，這是一個(gè)最令人興奮的科學(xué)研究領(lǐng)域。對于此次尋找暗物質(zhì)的嘗試，公眾最關(guān)心的莫過于結(jié)果——究竟是如愿以償?shù)匕l(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)還是發(fā)現(xiàn)其他物質(zhì)。

　　他說：“在發(fā)明熒光燈之前，沒有人知道發(fā)現(xiàn)等離子體發(fā)出的光線意味著什么。在創(chuàng)立量子力學(xué)理論時(shí)，科學(xué)家最初認(rèn)為這是一項(xiàng)完全無用的理論。但突然間，他們發(fā)現(xiàn)全世界的每一臺電腦都立基于這一理論�！痹谶@個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室，伊夫特用外行人能夠聽得懂的話解釋尋找暗物質(zhì)的重要性。他說：“雖然發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的可能性很小，但發(fā)現(xiàn)的意義非常重大，要知道，暗物質(zhì)在宇宙質(zhì)量中的比重高達(dá)85%�！�

　　質(zhì)量失蹤問題

　　我們已經(jīng)知道其他15%由什么物質(zhì)構(gòu)成。我們的身體、我們的家、我們的行星，所有我們能夠看到和觸摸到的一切都由普通物質(zhì)構(gòu)成。物質(zhì)是引力之源，由原子構(gòu)成，電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)電磁場。在浩瀚的宇宙，在恒星之間漆黑一片的空間，可能還存在另一種物質(zhì)——暗物質(zhì)。不僅僅在太空，地球上也可能存在暗物質(zhì)，雖然數(shù)量較少，在閱讀這段文字時(shí)，每秒將有100萬暗物質(zhì)粒子穿過你的小指。之所以被稱之為暗物質(zhì)是因?yàn)檫@種物質(zhì)不會(huì)發(fā)射光線同時(shí)也不可見。暗物質(zhì)沒有電磁場，這也就意味著幾乎無法借助任何常規(guī)科學(xué)測量設(shè)備探測到它們的存在。

　　我們何時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在暗物質(zhì)?直到上世紀(jì)30年代，還沒有人得出這一發(fā)現(xiàn)。1933年，加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇提出了一項(xiàng)非常引人注目的暗物質(zhì)存在理論。但幾十年來，很少有科學(xué)家相信暗物質(zhì)存在的可能性。

　　扎維奇提出的謎題必須通過研究星系質(zhì)量加以解答。星系質(zhì)量計(jì)算通常采用兩種方式，一種是測量星系的旋轉(zhuǎn)速度，星系旋轉(zhuǎn)速度越快，所擁有的質(zhì)量越大;另一種是根據(jù)星系的亮度進(jìn)行估計(jì)，也就是估計(jì)星系的恒星數(shù)量。在對后發(fā)座星系團(tuán)進(jìn)行研究時(shí)，扎維奇發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象。他利用維里定理計(jì)算后發(fā)座星系團(tuán)的真實(shí)質(zhì)量，所得出的質(zhì)量卻是視覺觀測下的大約400倍。這種現(xiàn)象被稱之為“質(zhì)量失蹤問題”。

　　什么物質(zhì)導(dǎo)致如此巨大的差異?答案可能就是暗物質(zhì)。直到上世紀(jì)70年代，扎維奇的理論才得到證實(shí)。當(dāng)時(shí)，年輕的美國天文學(xué)家維拉·魯賓利用其對螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度的觀測數(shù)據(jù)得出同樣的結(jié)論。我們能夠觀察到的星系區(qū)域——明亮區(qū)——所擁有的質(zhì)量似乎只占星系總質(zhì)量很少的一部分，余下的質(zhì)量一定存在于我們無法觀察到的暗區(qū)。

　　費(fèi)用政府買單

　　此次科學(xué)競賽旨在率先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在。35年來，沒有一個(gè)人成功做到這一點(diǎn)，這項(xiàng)任務(wù)難度之大我們可想而知。伊夫特表示：“全世界大約有300位科學(xué)家一直在搜尋暗物質(zhì)，這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。參與這項(xiàng)工作的人就像著了魔一樣研制探測設(shè)備，探測自己認(rèn)為中的暗物質(zhì)。但這種探測具有極大的不確定性，可能一無所獲�！�

　　在難于進(jìn)入的地下深處進(jìn)行暗物質(zhì)研究是一個(gè)最基本的要求，這種要求也提高了搜尋暗物質(zhì)的難度。阿勞霍指出，科學(xué)家在礦井內(nèi)進(jìn)行研究并不會(huì)遭遇危險(xiǎn)或者患上幽閉恐懼癥，真正讓他們感受頭疼的是地下研究并不十分便利。他說：“第一周，所有人都喜歡這里，恐懼心理很快煙消云散。但便利性仍舊是一大挑戰(zhàn)�！�

　　首先，進(jìn)入礦井并非易事�？茖W(xué)家要沿著一條沿岸環(huán)路駛往懷特比北部地區(qū)，有時(shí)還會(huì)遭遇降雪，而后花一兩個(gè)小時(shí)佩戴各種裝備，下降到礦井，隨后還要換裝，最后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。這里的工作環(huán)境十分惡劣�？諝庵械柠}可能讓電氣設(shè)備陷入混亂，任何體積超過70立方英尺(約合2立方米)的設(shè)備都無法借助起重機(jī)運(yùn)進(jìn)礦井。由于搜尋暗物質(zhì)項(xiàng)目本身的特殊性，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)在幾個(gè)月甚至最后結(jié)束時(shí)可能不會(huì)得出任何令人興奮的發(fā)現(xiàn)。

　　雖然一些工作可以借助計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程完成，但設(shè)備的維護(hù)和修理工作還是要親歷親為，這是不可避免的。除了校準(zhǔn)機(jī)械裝置和檢查是否出現(xiàn)生銹、破損和裂縫外，工作人員還要定期使用300升液態(tài)氮保持ZEPLIN-III內(nèi)的氙氣處于液態(tài)。氙氣從俄羅斯進(jìn)口，每公斤1萬英鎊(約合1.6萬美元)。實(shí)驗(yàn)室每年的運(yùn)營成本為30萬英鎊(約合48萬美元)，主要是工作人員的工資、電費(fèi)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，由英國政府買單。

　　靈敏就是一切

　　對于暗物質(zhì)到底是什么，科學(xué)家意見不一。一些科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)可能是由暈族大質(zhì)量致密天體構(gòu)成，這種物質(zhì)可能來自于黑洞。上世紀(jì)70年代，意大利科學(xué)家指出暗物質(zhì)可能由axions粒子構(gòu)成，axions以一種洗衣粉的名字命名。也有人認(rèn)為，存在暗物質(zhì)不過是一種幻想，星系出現(xiàn)“質(zhì)量失蹤問題”的真正原因只能說明牛頓物理學(xué)定律存在缺陷。

　　當(dāng)前有關(guān)暗物質(zhì)的最流行理論是，這種物質(zhì)由大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)構(gòu)成。之所以取這個(gè)名字是因?yàn)榘滴镔|(zhì)據(jù)信會(huì)與正常物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但這種情況非常罕見。世界各地的大量實(shí)驗(yàn)都圍繞這一理論展開，波爾比礦井內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)便是其中最為先進(jìn)的一個(gè)。阿勞霍表示：“這是一項(xiàng)競爭激烈的競賽，我們是有望獲取勝利的主要選手之一�！�

　　如果按照國際標(biāo)準(zhǔn)，這座地下實(shí)驗(yàn)室是使用零星資金建造的，雖然事實(shí)如此，但阿勞霍和他的國際粒子物理學(xué)家小組——來自倫敦、迪高特、愛丁堡、葡萄牙和莫斯科的研究實(shí)驗(yàn)室——卻操作著世界上最為靈敏的探測設(shè)備。在這場尋找暗物質(zhì)的競賽中，靈敏度就是一切。

　　阿勞霍解釋說：“在6個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，我們預(yù)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)只能探測到少量暗物質(zhì)事件。但在相同的時(shí)間內(nèi)，我們卻可以探測到數(shù)百萬次背景輻射事件，來自于探測設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室墻壁的痕量放射能，來自于能夠穿透到這一地下深度的少量宇宙射線。毫無疑問，探測設(shè)備的靈敏度越高，所能消除的背景噪音越多，也就越有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)�！�

　　這也就是為什么ZEPLIN-III探測器被包裹上保護(hù)性材料。外層的聚丙烯塑料在設(shè)計(jì)上用于幫助消除中子，周圍厚厚的鉛殼則用于消除伽馬射線。探測器內(nèi)部的“靶子”由12公斤純液態(tài)氙構(gòu)成，一旦核心受到粒子轟擊便會(huì)發(fā)生反應(yīng)。無論什么時(shí)候，只要發(fā)生反應(yīng)便會(huì)產(chǎn)生閃光(由光子傳感器記錄)和電荷，后者在懸于液態(tài)氙“靶子”上方薄薄的氙氣層中測量。通過測量光脈沖與電荷尺寸的比率，波爾比的研究小組能夠確定所探測到的“事件”是否是一次罕見而令人極度興奮的WIMP交互作用，或者只是一次令人沮喪的伽馬射線穿過。

　　“可信”非常重要

　　截至春初，波爾比研究小組將確定他們能否得出令人信服的發(fā)現(xiàn)，即在世界上第一次探測到暗物質(zhì)的存在�！傲钊诵欧�”非常重要，因?yàn)樗麄儽仨氄f服自己，同時(shí)還要說服這一研究領(lǐng)域心存懷疑的其他競爭對手。這些競爭對手中有的位于加拿大，有的位于南達(dá)科他州，有的則位于意大利大薩索山地下，其中包括他們的主要競爭對手——XENON 100暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)。XENON項(xiàng)目組最近的一次實(shí)驗(yàn)在2010年9月進(jìn)行，未能發(fā)現(xiàn)令人信服的暗物質(zhì)存在證據(jù)，這讓波爾比項(xiàng)目組長長地舒了一口氣。

　　出生于波蘭的ZEPLIN-III項(xiàng)目負(fù)責(zé)人帕維爾·馬耶夫斯基博士指出：“實(shí)際上，我們沒必要期盼競爭對手遭遇失敗，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的最終受益對象是整個(gè)科學(xué)界，而不單單是個(gè)人。此外，他們使用的是與我們類似的探測設(shè)備，如果他們能夠取得成功，說明我們也有成功機(jī)會(huì)。這是一個(gè)競爭激烈的研究領(lǐng)域，不管誰獲得勝利，都將名垂青史并斬獲諾貝爾獎(jiǎng)。如果失敗降臨到其他團(tuán)隊(duì)而不是自己團(tuán)隊(duì)身上，你同樣會(huì)感到非常失望。”

　　三月得出結(jié)果

　　現(xiàn)在，波爾比礦井內(nèi)的科學(xué)家正朝著實(shí)現(xiàn)這一夢想的道路前進(jìn)。ZEPLIN-III探測器的靈敏度是ZEPLIN-II的10倍，ZEPLIN-II的靈敏度大約也是Mark I的10倍。借助于這種高靈敏探測設(shè)備，科學(xué)家距離發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)自然更近一步。在打開探測器并在3月進(jìn)行最終測量時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將浮出水面。如果ZEPLIN-III能夠記錄10次事件并證明這些事件并非背景輻射的結(jié)果，研究小組便取得勝利。波爾比實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家和設(shè)施負(fù)責(zé)人肖恩·帕林表示：“這里的每一個(gè)人都認(rèn)為，我們已經(jīng)處在上演重大發(fā)現(xiàn)的邊緣。雖然沒有一個(gè)人觀測到非背景輻射事件，但我們可能已經(jīng)進(jìn)入上演這種發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻�！�

　　在波爾比的實(shí)驗(yàn)中，沒有人愿意猜測成功發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的幾率。由于遭受失敗的可能性極高，實(shí)驗(yàn)室的空氣中彌漫著緊張的氣氛。DRIFT-II主要由美國大學(xué)資助，研究小組希望這個(gè)探測器至少可以安全使用3年。ZEPLIN-III的資金將于3月陷入枯竭，政府部門和贊助者——科學(xué)與技術(shù)設(shè)施理事會(huì)需要為之提供更多資金。

　　ZEPLIN-III項(xiàng)目組操作著世界上最靈敏的探測器，在進(jìn)行旨在尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，他們自然處于有利位置，成功發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的幾率高于其他研究團(tuán)隊(duì)。面對這種極富挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)，我們不得不問如果失敗了怎么辦?伊夫特對此表示：“如果失敗，我們需要制造一臺更大的探測器，繼續(xù)進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)�！�