上天入地下海，追蹤宇宙神秘物質的“靈魂捕手”們
在海拔4300多米的青海冷湖鎮賽什騰山，建設一臺大口徑多功能光譜望遠鏡（以下簡稱JUST望遠鏡），探究超新星、引力波等宇宙奧秘；深入地下2400米的四川錦屏地下實驗室，利用多噸級液氙探測實驗捕捉暗物質；我國海南3500米深海底部布設中微子望遠鏡，探測中微子……位于上海浦東的李政道研究所，一群滿懷激情的中青年科學家組成了一支“宇宙靈魂捕手”團隊。
11月11日，“為國擔當·勇為尖兵”先進事跡報告會在上海交通大學李政道研究所天問廳舉行。中國科學院院士、上海交通大學李政道研究所所長張杰領銜的李政道研究所科學家團隊在現場講述了團隊的奮斗故事。日前，記者走進李政道研究所（以下簡稱李所），采訪到這支“上天入地下海”、追蹤宇宙神秘物質的“靈魂捕手”團隊。
圖為李所科學家團隊。侯樹文攝
在宇宙深海中，圍獵“一條魚”
宇宙起源于138億年前的一次大爆炸，暗物質與暗能量在其中可能起到了重要的作用。“暗物質就像是藏在深海里的一條魚，我們在淺水海域搜尋了，結果沒有找到，是否可以向更深的海底探尋？”周寧教授所在的PandaX團隊在四川錦屏地下實驗室開展暗物質直接探測研究。
20多年前，在南京大學理科強化部（現匡亞明學院）讀本科的周寧，為粒子物理著迷——“這個世界怎么會這么簡單？用二三十個粒子就能完整描述了。還有什么未被揭示的新的規律能夠解釋紛繁復雜的世界呢？”這份好奇心和求知欲驅動著周寧向深海處繼續探尋。
暗物質被稱為“宇宙的隱形骨骼”，約占到宇宙物質質量的85%，卻看不見、摸不著，幾乎不與任何物體發生作用。而它也是周寧深入地下2400米要搜捕的那條“深海魚”。國外讀博期間，他利用對撞機去探測暗物質。2015年，周寧回國之后，驚喜地發現在國內除了利用對撞機去探測之外，還可以在地下開展直接探測。
位于四川錦屏山交通隧道中部，有一座地下實驗室，這里是周寧捕捉暗物質的絕佳“獵場”——覆蓋厚度達2400米的垂直巖石為捕捉暗物質的團隊屏蔽了大量的“噪音”。實驗室內的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分之一。在這里，周寧帶領團隊成功研制了PandaX-4T四噸級液氙探測器，成為國際上首個運行的新一代多噸級液氙實驗裝置，再次刷新了暗物質探測的邊界。
因為一個靈感而開辟一個領域，再開展永無止境的探索——暗物質研究的無窮魅力，促使周寧不斷向研究更深處挖掘。
“向水下捕捉這條魚的時候，我們就想能否探測到更多的東西。”周寧表示，團隊也正思考把液氙探測器能夠做到一機多用，不斷拓展它的探測能力。2024年，該團隊利用低閾值探測模式首次觀測到太陽中微子相干散射信號，入選美國物理學會十大亮點。據悉，PandaX實驗組計劃將開展20噸級液氙探測器升級，未來將成為國際上體量最大、靈敏度最高的液氙實驗裝置。
把每一個科學家的夢想編織進未來規劃里
“中微子曾經也是暗物質的一個熱門候選者。”徐東蓮教授將圍捕中微子的“獵場”瞄向了3500米深的海底。
在中國西沙海域，徐東蓮團隊正在推動的“海鈴計劃”旨在探索建設國際領先的深海中微子望遠鏡。它將由近千根高度達700米的巨型線纜像海藻一樣垂直錨定于海床上，如同深海的一串串鈴鐺靜待宇宙深處“幽靈粒子”的到來。
宇宙大爆炸、黑洞噴發等極端天文現象都會產生中微子，它們不帶電，僅與物質發生弱相互作用，穿透力極強，是探索極端宇宙的獨特“信使”。但同時它們極難被探測，且到達地球的數量極低，只能通過在自然的透明介質（如深水和深冰）中建設大型中微子望遠鏡來捕捉。
“宇宙深處的物理規律是否與地球上是一樣的？如果換一種棱鏡去觀測，宇宙是不是還是一樣的？”作為沉浸于物理世界的女性科學家，徐東蓮堅定的語氣中透著一股韌勁。
2008年她從中國科學技術大學天文系畢業后到美國，接觸到中微子天文學領域區別于光學觀測的全新研究手段。在國外的十年間，她參與了南極冰立方中微子天文臺的建設與試運行，并曾參與觀測到來自銀河系外的高能中微子——這一發現打開了高能中微子天文學的新窗口。但是經過十幾年的數據累積，冰立方仍然無法識別這些中微子的確切源頭。
如何將這個學科再往前推進一大步？深海中微子望遠鏡可實現更高的角度分辨能力提升，會是更好的選擇。徐東蓮介紹，相比南極冰川，水體中的雜質更少，建設于其中的中微子望遠鏡可探測到更多直接的光子，并直接轉換成更優的角度分辨能力。當然，流動的環境會提高建設和運營的難度。2017年，她得知上海要建李所，目標是成為像玻爾研究所那樣成為基礎研究的“靈魂之地”。這個消息讓她倍感振奮，于是在2018年回國加入了李所。
“李所推進的大科學裝置是當前天文學基礎研究領域迫切需要的支撐手段。”鄭憲忠研究員所在的JUST望遠鏡項目團隊，正在青海冷湖建設國內最高性能的大型通用型光譜望遠鏡。
無論是向宇宙深處觀測暗物質、暗能量，還是在海底深處捕捉“幽靈粒子”，破解基礎研究領域的奧秘，不僅需要理論驗證，還需要實驗驗證。科學家需要研究機構從人才隊伍和硬件設備上給予大力支持。
“一個好的大學研究機構，應該把每一個人的夢想都編織進未來的規劃中。”張杰院士是這支“上天入地下海”捕獵團隊的靈魂領袖。
“張杰等院士在天文領域醞釀的科學規劃是國際領先的。”鄭憲忠介紹，李所正在建設的JUST望遠鏡正是從宇觀尺度觀測宇宙演化規律的利器，建設這樣一個大科學裝置對于信息宇宙學的發展，以及動態宇宙光譜后續觀測是非常急需的。
培養未來科學領袖的人才蓄水池
“來到李所就是來到了繆子磁性研究的‘原點’。”馬來西亞籍青年學者許金祥（Kim Siang Khaw）為了他熱愛的物理學研究，曾到過日本、瑞士、美國以及中國多個國家，幾乎每到一個國家，都要同時掌握一門語言。6年前他開始用中文來學習物理學，這期間他在繆子物理研究領域取得重要突破，入選《科學》年度十大科學突破。
他的辦公室就在徐東蓮教授的隔壁，兩位科學家經常碰到一起交流。暗物質實驗和中微子實驗有時會用到他的繆子探測器作為技術支持。“雖然我們研究的是不同的粒子，但是很多技術都是相通的，大家互相支持，這樣自由開放的學術交流氛圍是非常棒的。”
“我來到李所的第一印象是年輕且充滿活力，大家都是跟我差不多歲數的青年學者，這非常震撼。”許金祥用流利的中文說道。
在李所科研隊伍中，像許金祥這樣的國際學者約占40%。“科學領袖人才可遇而不可求。只有構建起一個人人潛心科研，對科研、對自然充滿好奇心，充滿激情的人才蓄水池，才可能誕生未來的科學領袖。”張杰表示，李政道研究所將為優秀的人才創造最好的條件，讓他們的科研活力得以最大限度地激發。
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