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  • 4噸 “熊貓” 歸來,圍捕暗物質再下一城|專訪劉江來

    2021/07/13
    導讀
    暗物質探測的未來會怎樣?
    “熊貓”歸來
    位于四川涼山州、2400米下的中國錦屏地下實驗室 | 攝影:邸利會

     

    編者按
    暗物質的探測是國際天體物理學界的熱門研究領域。最近,中國PandaX實驗發言人劉江來表示,升級后PandaX-4T(“熊貓4噸”)最新實驗結果,縮小了暗物質粒子可能存在的范圍。
    這一實驗的結果具體如何?意味著什么?暗物質探測的未來會怎樣?請看《知識分子》對劉江來的訪談。


    撰文|邸利會

     

    ●               ●               


    2021年7月8日下午4時,上海交通大學教授、PandaX實驗發言人劉江來在馬塞爾·格羅斯曼(Marcel Grossmann)國際廣義相對論大會上公布了PandaX-4T(“熊貓4噸”)的首個實驗結果,雖然依然沒有探測到暗物質,但再次縮小了其可能存在的范圍。


    在所有的宇宙物質中,看不見的暗物質占到了約85%,是我們熟知的所有普通物質(如質子、中子、電子等)的5倍多,主宰了星系和星系團形成。但迄今為止,人們對它的了解還相當有限,比如連暗物質粒子的質量是多少都不清楚。

     

    PandaX實驗位于四川涼山州、2400米下的中國錦屏地下實驗室,采用液態氙作為暗物質靶和探測器。按照實驗的設想,暗物質粒子碰撞到氙原子核后反沖,將在探測器中發光或產生其他氙原子的電離,進而可以被探測器中靈敏的光電器件記錄下來。

     

    在我們今天的科學認知下,銀河系被暗物質暈所包裹,就像是籠罩在一大片 “霧霾” 當中。當太陽繞著銀河系中心以近1/1500的光速高速旋轉時,也帶著地球和這片 “霧霾” 發生著高速的相對運動。實際計算出來,每秒鐘大概有10億個暗物質粒子撞擊著我們的身體,但大多都 “穿身而過” ——暗物質和我們身體中的原子發生碰撞的次數卻十分稀少,大約一年一次。可以想見,直接探測暗物質是多么困難的一件事。

     

    在過去的10余年中,PandaX合作組已經完成了兩代暗物質實驗。為了提升探測的靈敏度,液氙的規模從第一期的120公斤,提升到二期的580公斤(其中PandaX二期實驗曾取得當時對暗物質粒子的最強限制,成果入選2017年美國物理學會亮點)。2019年起,PandaX升級建設新一代的4噸級實驗。

     

    本次的PandaX-4T探測器中共有5.6噸的高純氙氣,其中靈敏區域達到了3.7噸。除了氙的規模增大,影響探測的另一關鍵因素,實驗的本底也得到了大幅降低,減少了對觀測信號的噪聲干擾。本底也稱為 “背景輻射”,其來源多樣,比如有天然放射性物質(如氡和鐳)造成的環境輻射、宇宙線輻射,以及核試驗或核事故的余塵。

     

    負責中心探測器研制和數據分析的上海交通大學周寧副教授表示,通過多項低本底技術的改進,在同樣的曝光量下,PandaX-4T的本底比上一代的PandaX-II降低了4倍。

     

    作為國家發改委 “十三五” 重大科學基礎設施項目之一,PandaX-4T所在的錦屏二期實驗室,本來預期2023年完工。但面對激烈的國際競爭,為了加快實驗進度,PandaX團隊在錦屏二期實驗室B2實驗廳中提前建設了臨時配套設施和900噸的超純水屏蔽裝置。

     

    2019年8月,實驗組提前進駐后,克服了諸多技術挑戰和新冠疫情造成的影響,于2020年5月底完成探測器安裝;11月28日,探測器調試完成后進入試運行,今年4月15日結束運行,進入數據分析。

     

    在總共95天的運行中,PandaX-4T探測器記錄了約13.7億次的事件,其中僅有1058個事例通過篩選進入了最終的暗物質分析數據集。這些事例中有6個事例落在了信號區域內,通過分析,和本底預期吻合,未出現暗物質事例超出的跡象,也就是沒有發現暗物質。

     

    目前,國際上在建的多噸級液氙實驗,還有位于意大利Gran Sasso實驗室的XENONnT和美國Sanford實驗室的LZ實驗。這次是PandaX在激烈的國際競爭中取得再次領先。《知識分子》第一時間邀請到PandaX實驗發言人劉江來,請他聊聊這次的4噸實驗以及暗物質探測的未來前景。


    PandaX-4T(“熊貓4噸”)實驗部分成員合影 | 圖由PandaX實驗組提供
     


    刷新暗物質粒子存在范圍


    《知識分子》:為什么選擇在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義相對論大會上公布此次的探測結果?

     

    劉江來:倒也不是刻意選擇在這個會上公布。三個月前我收到了大會的邀請,讓我做一個大會邀請報告,那個時候我們剛剛終止這一個階段的運行。我們大概估計了一下,覺得這幾個月應該可以把結果相對完整地展現出來。

     

    這個會雖然名為廣義相對論大會,但其實已經包含天文、宇宙學、粒子等方向,研究宇宙中最深層次問題,這次有1000多人參加,我覺得也挺適合公布我們這個結果。

     

    《知識分子》:數據分析的過程還順利么?

     

    劉江來:總體是比較順利的,我們也在很短的時間內啃下了幾個硬骨頭。因為這是一個全新的實驗,剛調試好的探測器,需要在暗物質探測的能區篩選出物理數據,基本上都要從零開始做。尤其是第一步,在很低階的分析中間,怎樣把疑似信號的數據選出來,不把事例漏掉,同時又不讓太多的噪音混進來。我們大致有三分之二的時間花在研究數據篩選條件上。后面的分析基本是按照我們以前發展的方法做的,對本底分析上有一些手段的革新和優化,整個分析應該算順利。


    7月8日發布的 “熊貓4噸” 實驗的首個暗物質搜尋結果 | 圖由PandaX實驗組提供

     

    《知識分子》:這張表示結果的圖,透露了哪些信息?

     

    劉江來:這次實驗刷新了暗物質性質的邊界,這里的性質指的是暗物質和核子的相互作用,用散射截面(上圖的縱坐標)來表示。如果找到了暗物質信號,就是確實測量到截面了;如果沒有找到,截面就有一個邊界值(上限),意味著它以下的參數空間還是可能的,以上的參數空間就排除掉了。

     

    這張圖的最下方的紅線就是我們以90%的置信度給出的邊界值,換句話說暗物質和核子相互碰撞的截面,大概率應該在這條紅線之下。

     

    紅線上面的黑線,標著2018年意大利XENON1T實驗最終的一噸年曝光量給出的限制。我們目前的結果和他們相比,排除邊界強了約30%。

     

    比較寬的綠條帶體現的是探測器的靈敏度帶,意思是假設真實信號為零,預期誤差漲落下探測器得出的邊界值上下浮動的范圍。我們這個實驗最終的排除線在綠帶內,顯示出并未發現有顯著的暗物質超出的跡象,簡單說就是還沒有發現暗物質。

     

    一般而言,如果排除線顯著的高于這條綠帶,就說明是看見了一些暗物質的跡象了。希格斯粒子發現的時候也是類似,最開始實驗結果由于靈敏度受限,排除線和靈敏度帶是吻合的;后來逐漸排除曲線超出靈敏度帶了,也就是說看到了疑似超出了。到了一定時候,超出如果很多的話,就不畫這條排除曲線了,而是就畫真正發現暗物質在哪的圈了。

     


    極其痕量的氚雜質


    《知識分子》:這次探測穩定取數了95天,之后為什么不繼續了?

     

    劉江來:在取數的過程中,有一個意料之外的本底逐漸顯現出來。這個本底可能是由于在前一代探測器中,我們當時做刻度實驗時注入的,沒有完全被去除干凈,又進入我們4噸的探測器里,并且我們發現不能有效地在線去除這個本底。自4月起,我們中止了運行,正在嘗試做一次離線去除——就是把探測器里面的氙全部取出來,通過低溫精餾的方式,將氚進一步去除后再將氙重新冷卻灌注回去。

     

    《知識分子》:其實這次氚也是痕量,但到底少到什么程度?

     

    劉江來:根據我們的數據計算,氚和氙的摩爾比約是0.5×10-23;在100克氙中間,小于一個氚原子這樣的濃度,所以是極其極其微量的。


     

    《知識分子》:必須把氚分離出來?

     

    劉江來:目前由于氚的本底過多,是暗物質分析最重要的一個本底,如果不把它降低的話,靈敏度就比較難提升了。

     

    《知識分子》:怎么知道哪個事例是何種本底,哪個事例是暗物質信號?

     

    劉江來:我們采用的是所謂的 “似然法” 分析。每一個事例就像有 “分裂人格” 或者 “四不像”,有可能是氚,有可能是氡,有可能是中子,有可能是暗物質,但是相似性各有不同。因此我們并不能絕對的判斷每個事件誰是誰,事件的區分是統計意義上的。

     

    《知識分子》:之前你們就一直在去除氡的本底,這次還存在?

     

    劉江來:好消息是PandaX-4T里每公斤氙中氡的含量較我們上一代的PandaX-II降低了6倍。所以相比較而言,氚是更嚴重的問題。暗物質事例預期處于低能區,和氚的本底的能區符合,而氡事例的分布的能區比較均勻,因此氚本底對于暗物質的影響比氡要大不少。因此我們決定先停機,把氚問題先解決了再說。

     

    《知識分子》:在正式開始取數之前,也都有本底的測試,當時氚沒測出來?

     

    劉江來:最大的難度還是因為氚的量實在太低。對于以往我們碰到的氪和氡這些惰性氣體本底,原則上還是可以通過獨立的方法把它們測出來;目前我們的氚的濃度是每100克氙中少于一個氚原子,已經超出所有的獨立測量的靈敏度。唯一能夠數出到底有多少氚的方法,就是等到探測器穩定運行后積累大量的統計量。這就成了個悖論——你并不知道探測器中有多少氚,就得開始去運行。你能做的就是用盡你認為可以去除氚的手段(比如低溫精餾),然后賭一把。

     

    《知識分子》:未來在本底方面的目標是?

     

    劉江來:氚我們希望能夠降一個數量級,計劃把總體的本底降低至少兩倍以下。

     


    觸達中微子地板之后


    《知識分子》:像這樣的氙探測實驗,實驗的終點在哪里?

     

    劉江來:現在我們不知道暗物質在哪里。找到哪里為止呢?一般而言,大家的 “既定目標” 在所謂的中微子地板,也就是探測器靈敏到可以看到大氣中微子的本底。根據計算,要到達那里,液氙探測器大致需要200噸的探測器運行一年(30噸探測器運行7年)的曝光量。

     

    這還僅僅是體量的需求。另外的要求就是探測器本底,最終你需要觀察到中微子本底,所以對其他放射性的本底的控制就要和中微子本底看齊。粗略的講,我們對本底控制的目標就是其他的本底加在一起和中微子本底是1:1。

     

    《知識分子》:如果觸達到中微子地板會發生什么?

     

    劉江來:最明顯的后果就是這個探測器可以開始做中微子物理了,這將打開一個全新的研究方向。

     

    現在中微子兩大研究方向,一是研究中微子的基本性質,比如像大亞灣和江門實驗研究的中微子振蕩、質量順序等。

     

    另外一個研究的前沿,是利用中微子作為劇烈天體現象的信使,也被稱為 “中微子天文學”。屆時我們的探測器變成了中微子天文和引力波、電磁波等結合的多信使天文,現在是一個方興未艾的交叉領域,大有可為。

     

    《知識分子》:如果說觸達中微子地板了,那暗物質還存在嗎?

     

    劉江來:可能存在,但是截面或者是作用太微弱,探測器不夠靈敏了。當然,我們現在也在想別的辦法,液氙探測器如何能夠突破中微子地板;如果沒有更好的辦法,那么暗物質直接測量這條路恐怕觸及到中微子地板就不能推進了。但是對這些中微子的精確測量將會打開一個全新的天窗。

     

    《知識分子》:現在還沒有辦法把中微子的本底去掉?

     

    劉江來:目前沒有找到辦法。有人說用方向性的手段,因為中微子大多是各項同性的,但暗物質的方向和太陽繞著銀河系的旋轉方向相關。但是一個大體量的探測器,非常難分辨出低能散射的方向。


    據我了解,國際上至今沒有一個可靠的方案,能夠在很微弱的碰撞截面下,依然把方向給測出來。


    熊貓4噸實驗探測器13米高的巨型圓柱形超純水屏蔽體鋼罐 | 攝影:邸利會
     


    邁向30噸

     

    《知識分子》:如果探測器開始重新取數,接下來的計劃是什么?

     

    劉江來:繼續做好4噸的實驗和物理研究。此外我們也在籌劃下一代更加靈敏、更加大規模的實驗。等到下一代探測器建設完成以后,我們就會停止4噸的實驗,然后進行升級工作。

     

    《知識分子》:計劃的是30噸的氙探測器?

     

    劉江來:對。2016年,我和季向東老師寫了一篇暗物質探測的綜述文章,上面就提到這個30噸的液氙探測器實驗。在獲得支持之前,我們現在還不確定最終的體量是多少。

     

    《知識分子》:下一代的探測實驗,還有哪些挑戰?

     

    劉江來:總體而言,探測器本底的降低和體量的擴大會使總的靈敏度提升。當然要做的工作細節還很多。越大的探測器,如何讀出那么多的信號,如何最小化時間漂移室電場的形變對探測器造成影響將是嚴峻挑戰;越大的探測器,用的材料也越多,如何降低材料本底,如何降低氚、氪、氡等本底,我們一直在研發解決這些問題。但這類實驗就是這樣的,每一個階段的問題解決了以后,下一個階段又會碰到新的更難的問題。

     

    《知識分子》:多噸級液氙實驗,目前還有意大利 Gran Sasso 實驗室的XENONnT和美國Sanford實驗室的LZ實驗,請簡單評述一下現在進展的情況?

     

    劉江來:我知道他們的進度和我們很接近,要么是在準備實驗,要么就已經開始試運行了。我所知道的都是公開信息,根據他們的官方的時間表,應該在近期會有新的結果出來。意大利的實驗是6噸,美國是7噸,都要比我們目前的4噸的體量大。

     

    《知識分子》:暗物質這個領域,理論方面好像不是特別有力?不像廣義相對論一出來,理論上明確指了個目標,天文學家去驗證就可以了。

     

    劉江來:七八十年代你如果問這個問題的話,大家一定都會不約而同地說,理論家已經給方向了,那就是超對稱。但今天因為沒有找到暗物質,大家對超對稱的信心也已經動搖了。在過去的幾十年,應該說超對稱被研究的非常多。它預言的暗物質有很大的區域,如果找不到暗物質,超對稱調整下參數空間或許還能活,但大家漸漸信心動搖了。

     

    對于科學發現,公眾還是比較習慣于 “愛因斯坦模式”,預言完了,一看水星進動,馬上就驗證了理論。但說實話,誰也不知道會怎樣。科學的發現,不能只類比愛因斯坦發現廣義相對論。很多粒子物理的發現,其實一開始也是有很大的可能區間;找到新粒子后,就打開了一個窗口,新的理論就出現了,或者已有理論的參數便確定了,歷史上也比比皆是。這些實驗的發現或許沒有愛因斯坦發現廣義相對論那么偉大,或者說愛因斯坦廣義發現相對論的模式可能是一個例外,而其他科學發現的模式更加普遍。

     

    《知識分子》:暗物質探測非常熱,除了地面的方式,天空中也有,比如明年升空的歐洲的歐幾里德太空望遠鏡等項目,怎么看這些空間的項目?

     

    劉江來:空間觀測和地面的實驗一定是互補的。宇宙的大尺度結構、銀河系等星系都是靠暗物質的引力勢形成的,精確的研究微波背景輻射、大尺度星系結構等等,能夠得到暗物質和普通物質相互作用的一些信息,但是是間接的。好處是這些空間項目不需要等待暗物質來碰撞探測器,有大量的觀測樣本來研究。

     

    我最希望的還是科學家能夠在實驗室里,研究暗物質和普通物質的微觀相互作用具體是怎么樣的,就像我們在地下實驗室做的事。



     參考資料

    1. 最新:PandaX-4T實驗發布首個暗物質搜尋結果,https://news.sjtu.edu.cn/jdyw/20210708/155013.html

    制版編輯 盧卡斯



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