02．地下幽靈

永野間淳二（Junji Naganoma）坐在他的辦公桌前，研究著電腦屏幕上的圖表和數字。你可能會想，一切如常。但這不是一間普通的辦公室。桌子周圍堆滿了架子、板條箱和成堆的盒子。永野間博士頭戴安全頭盔，身披大衣——這里最多約10攝氏度，而且沒有陽光。他的“辦公室”是一道百米長的山洞，潮濕的墻壁上是昏暗的泛光燈，兩旁布滿了管道和電纜。這里到處是巨型設備，光憑外觀很難明白它們的用途。幾個寬度足以讓卡車通過的維修隧道將這個山洞與另外兩個類似大小的山洞連接起來。整個建筑群坐落于意大利亞平寧山脈近一英里[1]深的巖石之下。

歡迎來到意大利格蘭薩索國家實驗室，世界上最大的地下物理實驗室。[1]在B廳，來自24個國家的科學家和技術人員正在建造XENONnT，這是他們用于直接探測暗物質粒子的最新版的最靈敏的實驗裝置。來自日本的博士后永野間正在一個臨時的無塵室里檢查測試結果；箱子里有幾十個易碎的光電倍增管等待安裝，它們由一所德國大學制造。在我2019年年底訪問期間，XENONnT已接近完成。[2]當你讀到這里的時候，它應該正在積極地收集數據，尋找看不見的東西。

在尋找我們之前一無所知的新事物方面，天文學有著悠久的歷史。隨著時間的推移，特別是在4個多世紀前望遠鏡被發明之后，我們的宇宙發現列表變得越來越長。天文學家發現了圍繞木星運行的衛星、太陽系外的行星、億萬顆恒星、氣體星云，以及無數與銀河系相似的星系。但是，所有這些宇宙居民都可以被觀測到，要么用經典的“光學”望遠鏡，要么用探測X射線、紫外線或無線電波的儀器——這些頻率的光是人眼無法察覺的，但是可以通過專門設計的照相機來識別。

尋找不可見的東西則不同。只有在它通過影響周圍環境的性質或行為而在其可見的周圍環境中留下某種標記的前提下，它才能被發現。我閣樓里的一個密封紙箱里的東西是看不見的，但我知道這些東西在里面，因為它們使箱子更重，更難移動。桌子下面看不見的磁鐵可以讓桌面上的鐵屑形成明顯的圖案。H. G. 威爾斯1897年的科幻小說《隱形人》中，主角格里芬在泥土中留下了腳印，讓所有人都能看到。[3]有句話說得好，現象背后有文章。

在更廣闊的宇宙中，通常是引力產生影響，留下印記，從而向研究人員暗示有看不見的東西存在。引力的影響是相當容易區分的，因為引力在宇宙中是獨一無二的。它是自然界中唯一的長程力，且始終是吸引力。質量越大，引力就越大，引力的影響就越強。（相比之下，作用于帶電粒子的電磁力既可以是吸引力，也可以是排斥力，而且在大尺度上，這些影響通常會抵消。）引力支配著行星的運動、星系的結構，以及整個宇宙的演變。當然，還有蘋果從樹上掉下來的方式，艾薩克·牛頓在1687年系統性闡述萬有引力定律的幾年前，獨自一人在自家花園里就注意到了這一點。

僅僅通過研究引力的影響，天文學家就發現了海王星、天狼星的白矮星伴星、太陽系外行星以及我們銀河系中心的超大質量黑洞的蹤跡。正如看不見的獅鷲一樣，所有這些天體都在淤泥中留下了它們的引力足跡，從而暴露了它們的存在。

如果你看到淤泥中的足跡，卻無法認出那個隱形人，該怎么辦？不要緊，你知道他一定在那里，而且通過仔細研究他的腳印，你或許可以了解不少關于他的情況。以系外行星為例，根據對它們的觀測，天文學家可以推斷出行星的軌道周期、行星與母恒星之間的距離（以及行星的溫度），甚至可以推斷出行星的質量。你無須真正看到這顆行星，僅僅測量它的引力影響就足夠了。

在格蘭薩索實驗室，科學家也試圖通過研究可觀測的印記來了解這種不可見的東西。然而，這一次，印記不是由引力產生的。山洞中的研究人員正在尋找暗物質粒子，它們如果存在的話，肯定有質量，但無法根據它們的引力影響來探測到它們。在單個粒子的尺度上，引力是微弱的。只有在大尺度上，當大量粒子的吸引力加起來時，引力的影響才會顯現出來。所以，僅憑這一點，單個暗物質粒子永遠不會施加足夠的引力來顯現自己。但是，既然粒子（包括假定的暗物質粒子）都有質量，它們也就具有能量。因此，通過它們與“正常”物質（比如格蘭薩索的科學家所使用的元素——氙）的原子核的碰撞，我們有可能逐個發現它們。暗物質粒子和氙原子核之間的相互作用會產生微小的閃光，這正是科學家希望探測到的。因此，需要光電倍增管。

不過，像格蘭薩索這樣的實驗面臨著一些困難。問題在于，當原子被不太神秘的亞原子“子彈”擊中時也會產生同樣的閃光，這些“子彈”被統稱為宇宙射線粒子。宇宙射線是來自外太空的能量信使。它們中的大多數是質子，即氫原子的原子核。進入地球的大氣層后，它們在到達地球表面之前會與氮和氧的原子和分子發生碰撞。其結果就是到達地球表面時發生次生粒子的“空氣簇射”。

如果你在找尋暗物質的相互作用，那么這些次生宇宙射線粒子就是一種實驗噪聲源。而且，眾所周知，在嘈雜的環境中很難聽到針落地的聲音。這就是亞平寧石灰巖的用武之地。雖然暗物質很容易穿過一英里的巖石（畢竟，這種奇怪的東西很少與正常物質相互作用，否則我們很久以前就會發現它），但大多數次生宇宙射線粒子（主要是帶負電的介子）被有效地阻擋了。就粒子相互作用而言，格蘭薩索實驗室是非常“寂靜”的。

棒極了。但是你該如何資助、建造并管理一個像中世紀大教堂一樣龐大的地下實驗室呢？早在1980年，核物理學家安東尼奧·齊基基（Antonino Zichichi）就知道該如何拉線了。當時，意大利的政客考慮在亞平寧山脈下修建一條高速公路隧道，為位于第勒尼安海沿岸的羅馬和東海岸的亞得里亞海提供一條快速連接通道。時任意大利國家核物理研究所（INFN）所長的齊基基建議再多挖掘一點兒。毗鄰隧道的大型地下物理實驗室將確立意大利在該領域的領先地位。

一切如齊基基所愿。隧道于1984年竣工，次年，INFN實驗室成立。到了1989年，第一次地下實驗開始運行，開始尋找磁單極子——大爆炸遺留下來的奇怪的假想粒子，可惜沒有成功。隨后的幾年，該設施的體積擴建到了驚人的18萬立方米，來自世界各地的約1 100名科學家參與實驗。

格蘭薩索隧道位于意大利阿布魯佐地區首府中世紀古城拉奎拉（意為“鷹”）的東部。[4]24號高速公路從羅馬到拉奎拉，蜿蜒穿過一片迷人的景觀，穿越許多國家公園和自然保護區，因此這條公路也被稱為“公園大道”。但一進入拉奎拉，我就痛苦地意識到這些自然美景是有代價的。亞平寧山脈——意大利在地質學上的脊柱——容易遭受地震的影響，2009年4月6日凌晨，一場6.3級的地震摧毀了這座標志性城市中心的大部分地區，導致300多人死亡。

拉奎拉還在慢慢恢復中。天際線被建筑起重機所占據，許多擁有數百年歷史的教堂仍在等待全面修復。陡峭的鵝卵石街道上到處是混凝土攪拌機、手推車，以及叮叮當當的敲擊聲。三角錐路障和隔離帶隨處可見。大多數房屋都被腳手架和防護網包裹著。這是令人沮喪的景象，我很難想象重建一座城市，只是為了等待下一次不可避免的地震所需要的毅力和決心。一時間，粒子物理學家尋找暗物質的毅力與之相比顯得徒勞而奢侈。

在靠近拉奎拉的地標性建筑夜光噴泉（一個頂部有兩個青銅女性裸體的夜光噴泉）的地方，奧克·彼得·科萊恩（Auke Pieter Colijn）開車接我去10千米外的實驗室的地上辦公室，位于大薩索山的西坡上。科萊恩是XENONnT的技術協調員。他也是給這個實驗起這個怪名字的人。格蘭薩索之前的暗物質實驗使用了大約一噸的液態氙作為暗物質探測器，因此被稱為“XENON1T”（氙1噸）。但新實驗中氙的數量在相當長的一段時間內都沒有確定，因此科萊恩建議將其命名為“XENONnT”（氙n噸），其中n代表任意數字。實驗用的氙總量最終定為8噸，但這個聽上去有點兒“宅”的名字沿用了下來。

科萊恩是一位年近50歲的高大、瘦削且隨和的物理學家，他穿梭于荷蘭國家亞原子物理研究所、阿姆斯特丹大學和烏得勒支大學以及格蘭薩索大學之間。在意大利，他的大多數同事只知道他叫AP，因為他的荷蘭語名字太難念了。科萊恩和我簡單地參觀了實驗室的“外部設施”，這是一個由辦公室和工作間稀疏排列而組成的辦公區，還擁有一個提供口味極好的濃縮咖啡的食堂。之后，我們再次駕車駛入A24號公路，向東進入大薩索山隧道。幾分鐘后，我們來到了堅硬巖石下方1 400米深處，安全地避開了嘈雜的宇宙射線粒子。但是等等，實驗室在哪里？

科萊恩告訴我，它在高速公路的北側，只能從西行隧道進入。他沿著出口來到了“書呆子環島”，這是回到隧道和到達地下設施入口的唯一途徑。他打趣說，如果你忘了帶螺絲刀，那這就是一段相當令人沮喪的繞行路。在通過一道安全門并停好車后，我們穿著結實的鞋子，戴著安全頭盔，開始了我們的山洞漫步。

我告訴自己：這就是物理學家希望解決暗物質之謎的地方。如果他們的理論是正確的，那么幽靈粒子就在我們周圍，問題在于如何捕捉到它們。

垂直于高速公路隧道的三個巨大山洞中出奇地靜。平均而言，任何時候都可能有20多人在地下工作，但這個地方是如此之大，以至于你幾乎注意不到他們。每個昏暗的大廳長約100米，寬20米，高18米。無論你走到哪里，都會聽到設備和機器的嗡嗡聲，偶爾還會聽到巨大的通風設備和空調發出的響亮的隆隆聲。

除了XENONnT，格蘭薩索實驗室還有更多的東西。我們繞過Borexino實驗的水箱，敬畏地站在一個大體積探測器前。這是兩個研究中微子的巨型設施，中微子是一種難以捉摸、不帶電的亞原子粒子，它們可能在解開暗物質之謎方面發揮關鍵性作用（見第23章）。[5]我們經過了許多其他的物理實驗儀器，有些規模不大，有些則像房子一般大。它們有著像CUPID（丘比特）、VIP、COBRA（眼鏡蛇）和GERDA這樣人為設計的首字母縮寫，且都在專注于自己的業務：這里有一個嘶嘶作響的閥門，那里有一個振動的表盤，到處都是計算機設備的架子和閃爍的LED控制燈。[6]

難懂的設備，詭異的氣氛，異常的荒涼感，這座地下實驗室感覺就像一艘廢棄的外星貨船，或者世界末日時的一座秘密軍事基地遺跡。的確，當未來的考古學家在數千年后發現這個奇怪的地方時，他們將會如何看待我們的目標和動機？

最后，我們來到了B廳，XENONnT的所在之處。我之前看過它的照片，但這絲毫沒有影響此刻這一實驗裝置給我帶來的震撼。緊挨著一個巨大的圓柱形水箱的是醒目的長方形的三層控制大樓，它的玻璃幕墻極具未來感。控制樓的一側是樓梯，另一側則與水箱相鄰。玻璃結構看起來就像宇宙對暗物質一般透明。用于將液態氙保持在零下95攝氏度的低溫設備儲存在頂層，控制室和數據采集系統在第二層，而氙的儲存及提純儀器在底層——所有這些都是為了檢測神秘物質而努力的一部分，但沒有人真正確定它的存在。

這個10米高的水箱外部掛著一張巨大的印在防水油布上的水箱內部照片，給了人水箱透明的印象。水箱里有70萬升水，探測器懸浮在水箱中。探測器是一個與水箱類似的容器，里面裝滿了剛好8 000千克的超純超冷的液體氙。在容器的頂部和底部是貼著數百個靈敏的光電倍增管的鍍板，用以監測氙原子核被暗物質粒子擊中時發出的微弱而短暫的紫外閃光。為了增加檢測到閃光的機會，水箱的內壁覆了層具有高紫外線反射率的特氟龍。

我們必須非常小心地消除所有可能產生類似于科學家所期望的氙核與暗物質粒子碰撞信號的粒子相互作用。即使是1 400米的堅硬巖石也不足以阻擋每一個宇宙射線μ子；每100萬個μ子中就有一個能穿透到這個深度。當μ子偶爾與周圍的巖石相互作用時，就會產生中子。這些中子很容易干擾實驗，因為它們也會撞向氙核，產生紫外線閃光，模仿暗物質粒子的預期行為。這就是這個儀器被放置在一個裝滿純凈水的大水箱中的原因之一：水是一種有效的中子吸收劑。

然后，還要考慮自然放射性，即重核逐漸衰變為輕核，在此過程中會發射α粒子、電子和高能的伽馬射線光子。所有這些衰變產物都會在測量中產生背景噪聲。氙容器的焊接縫不斷地泄漏放射性氡原子。自從我們決定測試和部署核武器以來，放射性氪的蹤跡在我們的星球上簡直無處不在。而市面上購買的氙總是含有微量的放射性氚。為了最大限度地減少這些污染物的不利影響，液態氙在不斷地被水箱旁邊透明建筑中的巨大蒸餾塔凈化。

這種檢測技術的想法（你會在第18章中讀到更多的詳細信息）可以追溯到20世紀末。XENON項目于2001年由哥倫比亞大學的意大利裔物理學家埃倫娜·阿普里萊（Elena Aprile）發起，據科萊恩說，她是一個“相當有個性的人”。這個不斷發展的國際合作項目已經建造了一系列越來越大的探測器，從最開始的3千克原型機到目前8 000千克的龐然大物，每一步都在提高實驗的靈敏度。阿普里萊仍然是實驗的負責人。

科萊恩還告訴我，XENONnT最大的競爭對手是美國南達科他州桑福德地下研究所的名為“LUX-ZEPLIN”的類似實驗。該項目的負責人是布朗大學的物理學家理查德·蓋茨克爾（Richard Gaitskell），他與阿普里萊在XENON項目上合作了好幾年，但在2007年，合作破裂了。參與XENON的大多數美國研究組決定與蓋茨克爾一起開發他們自己的探測器。還有就是PandaX（粒子和天體物理氙探測器），這是位于中國錦屏地下實驗室的一個大型氙-暗物質實驗儀器，它是直接探測暗物質的另一個競爭者。

盡管幾十年來沒有任何結果，盡管這個地方與世隔絕，但參觀格蘭薩索國家實驗室仍令人感到鼓舞和振奮。在這里以及其他幾個類似的實驗室里，杰出的物理學家正在利用人類有史以來最靈敏的儀器來探索他們認為是宇宙中最豐富且最神秘的成分。這些研究人員的奉獻精神令人印象深刻，他們的信心具有感染力。當然，我們正處于取得突破性發現的邊緣——如果不是通過XENONnT或其“競爭對手”，那么很可能是通過格蘭薩索的其他小型暗物質實驗儀器，比如DarkSide、CRESST、DAMA和COSINUS。[7]只要這個頑固的粒子選擇暴露自己，那么無論多么短暫，它都會在我們的高科技設備上留下一個微小但能夠探測到的印記。

有沒有可能，這終究只是一場對幽靈的追逐？會不會我們所有的努力都是徒勞的？我們是否注定要失敗，因為沒有探測器能夠分離出這種難以捉摸的粒子，又或者是因為這種粒子實際上并不存在？我們在格蘭薩索的一天結束了，當我們走向汽車，然后駛出隧道來到陽光下的時候，我問科萊恩，他對這種失敗的情景以及暗物質物理學的挫敗有何想法。如果你的整個職業生涯都是一場無望的追逐呢？

令人驚訝的是，科萊恩并沒有因為可能失敗的前景而感到沮喪。首先，他并不確定暗物質是否存在，也沒有選擇立場。他說：“只有當我看到它時，我才會相信它。”驅動科萊恩的并不是對發現暗物質粒子的渴望。相反，他對實驗本身的技術挑戰更感興趣——幫助建立一個極其安靜的儀器的機會，使其不受任何可以想到的外部或內部噪聲的影響。他說，無論結果如何，建造像XENONnT這樣的探測器都將有利于科學。新一代的物理學家正在學習如何達到極限，然后從那里突破界限。他得到的最高獎賞是：與優秀團隊合作的快樂。

當天晚上，我和科萊恩以及包括永野間淳二在內的6位團隊成員共進晚餐。在拉奎拉的城堡大街上有一個叫Arrosticini Divini的餐館，它靠近中世紀的圣瑪麗亞-帕加尼卡教堂的遺跡，我們在此享用了龍膽甜酒、傳統的阿布魯茲羊肉串和當地的蒙特普爾恰諾葡萄酒。在那場毀滅性的地震發生10多年后，市中心大部分飽受摧殘的瓦頂建筑仍然無人居住，但酒吧和餐館卻熙熙攘攘。拉奎拉人拒絕屈服，哪怕是最大的危機，他們也決心克服。

同樣，在座的青年男女（在我眼中，他們看起來就像男孩和女孩一樣）決心面對每一個挑戰，并克服科學探索中的任何挫折，以解答自然界迄今為止呈現出的最大謎團之一。天文學家們在20世紀70年代發現暗物質存在的第一個有力的證據時，這群人甚至還沒有出生。但愿他們能活到慶祝這個謎團的揭開。

這個領域的先驅則沒有那么幸運了。

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[1]1英里≈1.6千米。——編者注