意大利中部的大萨索山，很少有人知道，雪山深处的“硬核”实验。via www.italia.it

亚平宁半岛上的意大利，大萨索山，这里拥有欧洲最南的冰川。

1943年，意大利军方逮捕了墨索里尼，把他关在大萨索山顶峰的滑雪旅馆里，准备和盟军停战。希特勒为了这位“好兄弟”，派出特种部队，用滑翔机降落在旅馆前草坪坡地上，突袭救出了墨索里尼。

不过天降奇兵也救不了轴心国，二战几乎是以原子弹的毁天灭地作为终曲。量子力学的物理男孩们，有一种不小心捅破了天的感觉。在美国的奥本海默团队确实也计算过，核裂变反应会不会点燃整个大气层。

抛开二战往事，如今的大萨索山，故事从战争变成了合作。

在雪山之下1400米地壳深处，XENONnT探测器在此运行，这里就是意大利大萨索国家实验室，是世界上最出名的地下实验室之一。

意大利大索萨国家实验室，地表建筑部分。

2024年早春，李圣超终于进山。加入XENONnT合作组多年，因为疫情和签证问题阻隔，李圣超一直没能成行。这位高高瘦瘦的年轻人，负责着西湖大学暗物质与中微子实验室。

汽车在高速上狂奔。李圣超眼看着雪山越来越近，车却一头扎入了雪山下的隧道。之后，车开始减速，靠右驶入匝道，刹停。一扇偌大的不锈钢铁门闪着寒光，已经恭候多时。

实验室的地下入口。

暗语般的开门对话之后，在荷枪警卫的目送下，小车缓缓驶入了这个雪山之下的国家实验室。实验室由三个地下主厅构成，每个主厅大概有双向四车道宽，六层楼那么高，纵深约100米，主厅之间有纵横交错的通道连接，如同宏伟的地下宫殿。

XENONnT探测器就在其中一个主厅。这是一个十几米高的白色大铁罐，而配套设备，被放置在边上三层透明玻璃小楼里。这是团队引以为傲的“艺术装置”，被戏称为苹果商店。

这还不够过瘾，大铁罐的内部构造也用巨幅的喷绘打印出来，贴在铁罐上，生怕你看不见。如同穿上了透视装，物理也突然感性——不，性感——起来。

XENONnT探测器，左边是大铁罐，右边是配套设备。via xenonexperiment.org

XENON是稀有气体氙（xiān）的英文，源自希腊语“陌生者”，因为氙在大气中十分稀有，空气中2000万个原子中只有一个是氙。常言道，顶级的猎手总以猎物的形式出现，低温下的液态氙作为靶物质，埋伏在岩层深处，躲避宇宙射线的干扰，等待可能的粒子和它发生碰撞，包括设想中的暗物质粒子。守株而待兔，陌生者在等陌生者。

氙字，本是气在山上，但这次，气进了山里。而科学家所等待的暗物质，不参与电磁力的作用，可以穿透普通物质，如同《聊斋》里的穿墙术。而洞穴，不正是柏拉图关于人类认知的古老隐喻？

如果暗物质粒子和氙原子核碰撞，这就是期待中的原子核反冲（nuclear recoil）。氙是惰性气体，化学性质稳定，而且原子核“比较大”，是理想的靶物质。如果发生原子核反冲，氙原子会收获额外的能量，一次微弱的紫外线闪光将被发射出来。

这是一次不超过20纳秒的闪烁。但一个信号还不够。

额外的能量也会使氙原子失去一些电子，探测器中设置了强电场，电子会以每秒几百上千米的速度向上漂移。而液氙罐的顶部表层充满了气态的氙，一旦电子到达气液相交处，电子就会加速激发更多的电子，如同利滚利，氙气就放出更多光线。氙气大灯听说过吧？就是类似的原理。

这两次光信号，都会被位于液氙罐顶部和底部的光电倍增管阵列捕获。通过两个信号的时间间隔，可以计算出碰撞事件在容器内发生的深度，结合第二个闪烁信号的平面信息，一个碰撞的三维坐标就有了。

大铁罐内部，四根方形的钢柱，像骨骼一样支撑起一个更小的系统——白色帷幕遮蔽严实，如同胸腔中的隔膜。

再往里面，俄罗斯套娃一般，悬挂着一个约2米高的白色罐子，这就是双相时间投影室，里面流动着零下九十多摄氏度的液氙，液氙需要不断循环精馏纯化以提高探测精度。

双相时间投影室是一颗硕大而冷静的人工心脏，液氙是它的血液，闪烁是它的律动。

剩下的空间，全部用700吨纯水填满，当缪子这样的宇宙粒子抵达水罐时，会产生辐射，让水发出淡蓝色的光辉，这就是切仑科夫效应。通过捕捉这些信号，科学家得以排除这些我们已知的粒子。

李圣超和探测器合影。摄影：叶靖强

李圣超在普渡大学做博士后期间，开始参与XENONnT暗物质探测项目。当时设备正在搭建，正好遇到疫情，工程师们就在地下日夜值班，就差吃住在山洞里了。

项目代号nT，n也意味着不确定，最开始并未决定要投入多少贵如黄金的液氙。之所以要把探测器做大，是为了增加液氙的质量，提高探测成功的几率。

而等待中的暗物质碰撞事件，是一种稀有事件，如同杭州下一场雨，等待其中特定的一滴雨水正好落在雷峰塔的塔尖之上。

李圣超在杭州长大。小学的时候，霍金来杭州演讲，他和同学一起去了。电视台抓住这两位小学生采访，让他们谈谈对讲座的看法，同学滔滔不绝，李圣超闷声不响。

高中时，李圣超是杭州高级中学天文社社员，在学校天文台观测过太阳黑子，也追过日全食。但是天文里关于星座的分类学问题，李圣超总是记不住——这是什么星座，那又是什么星座？于是，他本科去了香港大学，探究似乎更加本源的物理。 

大二时，李圣超去了美国伊利诺伊大学香槟分校做交换学生，机缘巧合上手了液氙实验，当时跟随那里的老师用氙的衰变研究中微子的性质，也打开了他通往中微子实验的大门。

后来，李圣超在美国弗吉尼亚理工大学读博士，参加了中国的大亚湾实验和近反应堆的小型中微子实验，不断地在中微子探测上积累经验。拿到博士学位后，他的兴趣逐渐转向暗物质的探测。好玩的是，XENONnT合作组里，李圣超见到了之前在伊利诺伊做交换生的同学，而当时的指导老师也在合作组里。

兜兜转转，大家都在找暗物质。现在，雪山之下的洞穴，是人类前沿科学的一个隐秘角落。

双相时间投影室和婀娜多姿的科学家。
via xenonexperiment.org

项目组里，大部分科学家的大部分时间，是通过在线协作来工作的。来自25个国家或地区的近200位科学家需要通力合作，负责好各自的部分，遇到需要决策的事情就投票表决，并轮流去雪山下值班。

理论上，这一科学项目中的成果，也是这个国际团体所共享。有一次，在大索萨驻扎的工作人员吃烤羊肉串比赛，每个选手撸串的进度也被绘制成了一张数据图表。他们开玩笑说，这个数据的公开也需要大会通过。

李圣超也终于看到了自己负责的仪器。过去几年，李圣超团队通过与德国、意大利的团队线上沟通，组织各种测试。他的工作，涉及到如何理解探测器所传递出来的信号。

如果把探测器比作一件乐器，穿行于宇宙的各种粒子会来演奏它，而李圣超是这场神秘音乐会的“窃听者”。无论如何，这个探测器会听到各种“噪音”，李圣超同合作者需要识别这些噪音，并标定出需要寻找的旋律。

但是，他们还没有等来期待中的信号，和几十年来其他科学家一样。科学家们试图提出各种理论模型以及尝试各种探测方法来寻找暗物质，但目前都石沉大海。

“一句话，没找到。”李圣超说。

但这已经是个大问题。李圣超引用了一句英语俚语：elephant in the room，字面意思是房间里的大象，指显而易见却一直被忽略的棘手问题。

这个问题足够让科学家焦虑，如果从暗物质的角度来想象，人类能看见的世界，不过是浮云。毕竟，天文观测让我们确信，是暗物质支撑起了这个宇宙的结构。而这个看不见的世界，是否也会演化出暗物质自己的体系甚至“生命”？又也许，完全不在人类的想象力边界之内。

雪山之下，大铁罐把自己装扮成小透明，等待暗物质大象的到来。大铁罐又如同宇宙黑暗森林的小木屋，人类不过是一个新手猎人。每次猎人打开木屋的门，看到各种混乱的脚印，满地的各种羽毛，被碰落的餐具，被洒落的水迹，被敲击过的钢琴键盘。

面对一片狼藉，猎人试图想象一头从未见过的大象，它是否来过。

XENONnT暗物质探测实验国际合作团队的分布。via xenonexperiment.org

02  暗物质：谁主沉浮

按照目前主流的宇宙学观点，我们看不见的宇宙，才是一切的主宰。我们能看见的普通物质，占比大概在5%。何况，我们对这5%也不是完全了解。

1933年，瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基，发现星系外侧的旋转速度要比理论预测的快很多，推测是看不见的质量提供了引力。这很诡异，想象下当你旋转一把雨伞，水滴却不会被甩出去。

尽管当时并不叫暗物质，而是叫“丢失了的质量”。后来，越来越多的天文观测都指向了暗物质在作祟。这种看不见的暗物质，因为存在巨大质量，像透明镜片一样弯曲了光线，这就是引力透镜现象。

在后来观测到的星系团碰撞事件中，暗物质不仅拒绝和普通物质“往来”，暗物质之间也可以相互穿过去。看来，暗物质来去自由，了无挂碍。但又是暗物质，像巨人一样拉扯起了星系。

如此明晰，又如此神秘。如此缥缈，又如此凝重。

 “在一片黑暗中，我们只能在灯下去找。”李圣超说。言下之意，是人类只能从自己当前的认知和实验条件出发，来探寻未知。

最为主要的出发点，就是宇宙大爆炸理论以及粒子物理的标准模型。如果暗物质存在，如果暗物质也是一种由粒子构成的物质，结合宇宙学的观测，我们可以先给它画一幅“嫌疑犯画像”——先构建一种可能的理论假设。

关于暗物质的猜想理论有很多，天马行空，都是为了试图解释暗物质。比如，单个暗物质的粒子的波长，可以像整个星系那么大；比如，暗物质可能是轴子——一种非常轻的粒子。

目前WIMP理论目前更为流行，即弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle）理论。

经典WIMP理论认为，暗物质可能是一种质量相对比较大的粒子，只通过弱力和引力与其它粒子相互作用，不参与电磁和强力作用。这里有两个新名词，弱力和强力。通俗解释下，强力可以理解成原子核内部把更小粒子束缚在一起的作用力；弱力可以理解为原子放射性衰变过程中的一种作用力。

当然，理论学家并不是凭空建楼阁，WIMP理论有一个重要的宇宙学观测依据——宇宙微波背景辐射。

时间回到1964年，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊，在做天线实验时，听到了一种噪音。诡异的是，这个噪音在各个方向都差不多，看上去很均匀。这噪音信号是哪里来的呢？

彭齐亚斯、威尔逊和喇叭形天线。

宇宙微波背景辐射观测图，这几乎是宇宙 “婴儿期”的一张“快照”。via NASA

然后，通过宇宙微波背景辐射观测数据来推算，宇宙中普通物质和暗物质的质量比例，大概在1比5，这也和WIMP理论预测符合。

这种吻合，再加之当时粒子物理学中的种种迹象，让人看到了希望，被称为奇迹。

WIMP理论为寻找暗物质画一张“寻宝图”。在这幅地图里，暗物质在宇宙演化过程中有可能参与到和普通物质的弱相互作用。这一作用仍然有极低的概率发生在我们身边，释放出信号。

这种渺茫的概率，就是XENONnT暗物质探测的原理出发点。

在探测器里繁杂的信号间，最初并没有太多既往经验可以告诉我们，哪些就一定是暗物质的痕迹。不过如果理性值得依靠，我们可以通过排除法，逐一排除已经知道的部分，单独留下“反常”信号就是线索。

“我们喜欢反常。反常里可能有新的科学。”李圣超说。

其实，世间哪有什么反常，只是因为看不透，所以称之为反常。在暗物质探测器里，随着探测精度不断提升，有一片绕不开的信号区域出现在前方，迷雾将起。

03 中微子：迷雾森林

粒子物理学所建立的标准模型理论，几乎是人类有史以来最成功的科学理论之一，标准模型理论预言了许多粒子，包括W和Z玻色子、顶夸克、希格斯玻色子等，这些粒子都先有理论预言，然后在对撞机里找到了。

可以说是，一撞一个准，但中微子的出现，挑战了标准模型理论。

中微子的发现，源于β衰变。在质子到中子的β衰变中，面对诡异消失的能量，泡利在1930年给出了一个解释，他认为在衰变过程中，除了释放出电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去。

它就是中微子。

如果放在标准模型里，中微子应该不具备质量。但是，后来的实验测量发现，中微子具有轻微的质量，大概是电子的百万分之几。也就是说，目前标准模型仍然不是完美的。

而中微子的习性，和暗物质一样，他们不参与电磁力作用，也被称为幽灵粒子。小红书上有人发帖说，中微子让人感到慰藉，失去的亲人从未远离。这是网友对“幽灵粒子”投射了情感，偏离了科学讨论的范围。

中微子无处不在，太阳内的核聚变反应会产生中微子，宇宙射线进入大气层会产生中微子，你身体里的同位素衰变也会产生中微子。只要你生活在地球上，大概每秒钟会有万亿级别的中微子穿过你的身体，但和身体的作用几乎为零。

要知道，中微子可以穿透1亿光年厚的铅板，而不发生作用。这种不顾左右穿透万物的凛然傲气，和暗物质很像。

太阳中微子探测示意图。via APS

对于XENONnT实验来说，如果液氙可以探测到暗物质信号，那探测器也能“听”到中微子的信号，特别是来自太阳的中微子。所以，中微子信号一定会成为一个微弱的背景信号，专业上叫本底（background），如何识别出这个本底信号，显得尤为关键。这个问题，有一个更富诗意的说法：

中微子迷雾。

XENONnT探测器配套的透明小楼，这里布满了科学家开展实验的关键仪器。

让我们再回到李圣超所参与的XENONnT实验，他们在探测精度上着力，“听”清楚探测器里发出的最微弱的信号，试图抵达中微子构成的信号迷雾，为探测暗物质做好可能的准备。

也如同黑暗森林，迷雾的那一头，也许有更大的发现。

前文提到过XENONnT探测器的工作原理，有了双相时间投影室，科学家们就得到了相应的数据，来“描述”微观粒子对液氙原子核的碰撞事件。

这个撞击事件十分微弱，如同一只蚊子撞到大象，科学家们要对大象做出检测。而李圣超团队所做的工作，涉及到我们对这些微弱数据的理解和使用。

好吧，现在开始，我们需要以概率的眼光来看待世界，科学实验往往是建立在概率和统计基础之上的。爱因斯坦曾经说：“我毫无保留地相信，老头子是不掷骰子的。”但恰恰，量子力学改变了这种底层认知，世界是概率的。

当XENONnT实验观测液氙的核子反冲信号，同样如此。

如果我们把信号通过数学方法转化描摹在平面坐标系上，相同粒子的撞击信号，不会落在同一个点上，如果样本数量少，它甚至看上去会有点随机。

这就是统计上的涨落，如同大海的涨落。

再来看探测器的表现，粒子在探测器上的演奏，仅仅通过几个单独的音符，无法分辨出这些“粒子演奏家”的风格。只有当统计样本足够大的时候，人类才能做一些总结，给出不同撞击事件的不同分布规律。

物质实验越来越灵敏的WIMP排除区间（灰色部分）正在向下逼近“中微子迷雾”（彩色部分），在这过程中首先发生重叠的是来自太阳硼-8中微子的“小岛”。

这里面，研究团队不得不面对一个尴尬的现实问题。探测器经过更新迭代，变得越来越纯净，干扰信号也越来越少，但代价是描摹清楚探测器信号特征所需的时间也被无限拉长了，人类等不了。

这时候，需要人为地加入一些已知的粒子进去，看探测器的信号反应，我们就能逐渐描摹出不同撞击事件的信号分布规律。这也属于刻度研究的工作之一。

再进一步，李圣超与合作者找到能量特别弱的中子源（钇-铍），小心放在探测器周围，用来对氙核产生一个特别小的冲击。这相当于对中微子的信号进行一次演习，给出一个“嫌疑人画像”，为“逮捕”偶然路过的太阳中微子预发“通缉令”。

实验组还做了更多类似的工作，都是在描述中微子可能出现的信号特征，在坐标图上划定一个范围，相当于建立数据模型——预测太阳中微子的数据可能落在哪个区域。

然后，在实际测量中，先遮盖掉这个区域，不让任何研究人员看到“嫌犯活动范围”，这是为了一视同仁地对待所有数据，尽量避免先入为主造成“冤假错案”。

从2021年7月6日到2023年8月8日，经过逾两年采集的数据，总曝光量约为3.5吨·年的液氙，终于获得了一批数据。最早XENON系列实验起步于2005年，开始只用到了15公斤的液氙。

2024年7月4日，数据揭示的那天，所有团队都在线上，跨越各个时区，如同《楚门的世界》里的那句经典台词：早安、午安、晚安。所有人盯着线上会议的投屏，经过计算后的探测数据一个个跳跃出来。

XENONnT探测器内部，如同一个白雪琉璃世界。via xenonexperiment.org

两年的数据中，XENONnT项目总计观测到37个碰撞事件，其中有11个事件来自太阳中微子。如果在更高维度下进行更精确的统计阐述，这些信号来自于单纯本底涨落的概率只有千分之三。

也就是说，千分之九百九十七的概率，他们“听”到了来自太阳中微子的信号。无独有偶，在四川的锦屏山下，另一组科学家们也发现了这一信号。这是人类第一次在暗物质探测器里，清楚收到来自天体的中微子信号。

屏幕后，来自世界各地的成员团队同时在大屏幕上发出了一连串“鼓掌”的表情包，这是对数年的努力的肯定；屏幕前，李圣超拿出可乐，与学生们干杯庆祝。

数据揭盲会议西湖大学分会场。

或者，《西游记》其实给了另一种启示，哪怕是经历了九九八十一难，在取得有字真经之前，先取到的是无字真经。