人们所看到的宇宙实际上只是宇宙物质中很小的一部分，宇宙中的星体占宇宙物质的百分之一，宇宙中所有的气体云及其它可见物质约占百分之五。绝大部分宇宙物质不发光，看不见摸不着，属未知物质，即所谓的“暗物质”，它们以一种我们目前完全不知的表现形式存在。自20世纪30年代人类首次怀疑“暗物质”存在以来，各国科学家一直都在不断进行各种科学实验，希望能抢先发现“黑暗物质”的真面目，解开宇宙中最大的谜团。弱相互作用大质量粒子的探测是揭开暗物质和宇宙本质的关键，在此领域的国际竞赛十分激烈，谁先发现这种粒子，极有可能获得诺贝尔奖。

英国粒子物理和天文学研究理事会投资3100万英镑，改进英国北约克郡(North Yorkshire)海岸博尔比(Boulby)地下1100米深处盐钾碱矿中的实验室设备。这个世界一流的英国暗物质实验中心于2003年4月28日正式启动，主要致力于探测弱相互作用大质量粒子，希望能解开宇宙大部分物质的丢失之迷。

英国暗物质中心实验室外景

英国粒子物理和天文学研究理事会理事长Ian Halliday教授评论这一新的实验设施和研究计划时说：“这是一座杰出的研究设施，备有一些世界上灵敏度最高的暗物质探测器，为英国的研究领域增加了一项关键的资源。英国的科学家在全球物理学家争先发现暗物质的竞赛中扮演着重要角色，如果能赢得这场比赛，对英国科学来说，将会一鸣惊人。”

虽然每秒有几十万亿的弱相互作用大质量粒子可能正在通过我们，但它们很难与普通物质发生相互作用，因此极难探测到。偶尔它们撞到其它原子核时，会出现反弹现象，博尔比的实验就是探测这些稀有对撞的。

博尔比矿中的暗物质探测设备

英国谢菲尔德大学教授Neil Spooner把探测难以捉摸的弱相互作用大质量粒子比作用看不见的弹子棒玩台球。他说：“实际上，你看不见弱相互作用大质量粒子或弹子棒本身，但能看到台球撞击后弹回。如果寻找成功，就会载入史册，因为这是当代最伟大的发现之一。”他和来自卢瑟福实验室、帝国学院和爱丁堡大学的同事们在英国暗物质实验中心使用了三种不同类型的探测器：NAIAD闪烁探测器、DRIFT电离探测器和采用闪烁和电离两种方法的ZEPLIN探测器。

弱相互作用大质量粒子与它们通过的物质发生相互作用的机会极少，在一公斤的实验样品中，每天只有不到一个弱相互作用大质量粒子击中原子的原子核，引起原子核的轻微反冲，这正是探测它们存在的关键。博尔比实验要探测这一反冲，并将其记录下来。

原子释放出来的反冲能量至少可用三种探测器中的一种探测到，不是温度略有升高（以声子为基础的探测），就是释放出小的电荷（电离），要不就是释放出光子（闪烁）。一个以上这样的效应均有可能发生。

尽管反冲极少，但探测器同时可能会收集到许多其它反应，如宇宙线碰撞物质或自然界的辐射。重要的是要尽量将反冲产生的小信号中的背景噪音屏蔽掉。盐矿有很低的自然放射性，它能吸收来自宇宙的多数粒子。这就是为什么实验要放在1100米的地下进行的原因。同时，将探测器嵌入铅或铜壳内，更好地保护了探测器，能使辐射降低100万倍，让实验数据更加准确。

2公斤重的探测晶体

碘化钠膜片组成的阵列探测器（NAIAD），能探测到核反冲时产生的闪烁信号。由于中子和原子核在碘化钠中相互作用的结果与弱相互作用大质量粒子和原子核的相互作用的预期结果非常相似，被用来标定实验，使科学家们能将来自其它信号源的可能的弱相互作用大质量粒子识别出来。通过测量闪烁光的衰变时间，可从数据中将电子反冲排除。闪烁光的衰变时间比由中子或弱相互作用大质量粒子引起的衰变时间慢百分之三十。

探测器罐顶部

探测器罐内

探测器

液态氙正比闪烁探测器（ZEPLIN-I），利用弱相互作用大质量粒子击中液态氙的原子核时所发出的闪光来发现暗物质粒子的痕迹。它用铅屏蔽排除由自然放射性和残存的宇宙线粒子产生的多数背景脉冲，并像碘化钠探测器那样，利用核反冲及光子/电子散射的闪烁脉冲对时间不同的依赖性，鉴别逃过屏蔽和反符合的背景。

电离探测器（DRIFT）不仅可用来探测弱相互作用大质量粒子，而且还用来判定这些粒子运动的方向。地球通过银河系时，是从其运动的方向被来自宇宙的稳定的弱相互作用大质量粒子流击中的，因此每天应根据地球的自转方向对接收信号的方向进行调节。（高能所科研处 侯儒成编译）