在地下2400米看宇宙

2022-07-31 12:34阅读：

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内容来自墨子沙龙“中国的大科学装置”活动。
　　刘江来：上海交通大学物理与天文学院教授，李政道研究所研究员。长期致力于暗物质、中微子实验领域的前沿研究，目前是PandaX暗物质实验发言人，大亚湾/江门中微子实验刻度课题负责人。
　　1998年，那时我刚好大学毕业，刚毕业就去了美国，也是在那年听说了中微子振荡的研究，但我当时却对标准模型一无所知。后来在美国要选研究方向时，日本的神冈实验和加拿大的SNO实验正如火如荼，我就被中微子迷住了，下定决心要从事这种基本粒子相关的研究。虽然最后出于种种原因我的博士期间并没有从事中微子的研究工作，但是在2006年的时候，博后期间的我义无反顾地选了中微子研究。当时我作为美方的单位，在加州理工参加了王贻芳和曹俊研究员领导的大亚湾实验。
　　刚才曹老师讲的小故事，让我觉得似乎在很多青年老师的成长过程中间，总有这么一个大咖，给他来了一番促膝长谈，然后就改变了他的人生方向。而在我的人生中也有这么一位。2009年，我还在美国做中微子实验，锦屏山暗物质实验的发起人季向东老师给我打了个电话，说将来在锦屏山要发起一个暗物质的实验，一起回国吧。我为这个实验的前景和季老师的人格魅力所感召，之后便回到中国开展实验。这个实验也是我今天要讲的内容，如何在2400米的地下观察宇宙。虽然这个实验发起的初始目标是研究暗物质，但也可以用来做中微子的研究。

　　这张图片概括了我们人类共同关心的三个宏

观话题，也很好记，叫“两暗一黑三起源”。两暗指暗物质和暗能量。一黑指黑洞，黑洞的研究去年也拿了诺贝尔奖。三起源是哪三大起源问题？就是宇宙起源、天体起源，以及生命起源这些问题。这些问题合起来就是我们人类关心的TOP SECRET。
　　而今天我要说的研究，就是“两暗”中的暗物质。暗物质究竟是什么？刚才曹俊研究员说中微子是幽灵粒子，宇宙中间无处不在，大爆炸早期就大量产生。可是把所有已知的质子、中子、电子加上中微子的重量全部加起来，它们的质量或能量在宇宙中占的比例非常小。而另外有一种我们看不见的物质被称为暗物质，它与普通的物质一样都参与引力相互作用，但占宇宙的比例却是普通物质的五倍。而科学家们并不知道它是什么，所以把它叫做暗物质。另外还有一种不是物质，不参与引力相互作用，甚至不能确定是不是真正能量的一种“能量”，被称为“暗能量”。它是一种宇宙内部的负压力，用来解释宇宙加速膨胀现象的一种模型，人们对其知之甚少。

　　补充一点，上面这位年长的老师是詹姆斯·皮布尔斯，在2019年获得了诺贝尔奖，他奠定了标准宇宙学的基础。如果说标准模型建立了微观世界的“元素周期表”，那么詹姆斯·皮布尔斯创立的标准宇宙学则是如今宇宙学的基础。根据标准宇宙学，物质、暗物质、暗能量三个组分共同作用产生我们今天所见的宇宙。
　　暗物质和中微子一样，都是弥散在整个宇宙中间、无处不在的。但是由于引力的效应，在宇宙中间某种物质聚集的区域，比如银河系中，暗物质被引力束缚着。大家应该很熟悉银河系的结构（左下图），银河系有个银盘，太阳系在银河系的第三个悬臂。但银河系中的这些所有星球，都绕着银心高速旋转的。比如太阳绕着银心以1‰的左右光速旋转，但我们发现所有星星本身的引力总和，不够提供其需要的向心力，它一定要在更大的一团物质“晕”中间旋转，才能得到足够的引力。所以真正的银河系的图像是这个模样（右下图），我们所见的银盘只是很小的一个部分，它被更大的相对更加均匀分布的暗物质雾霾笼罩着。而这些暗物质产生的引力给予了银河系旋转的向心力。

　　暗物质“晕”和在其中旋转的银河系
　　但是暗物质“雾霾”到底跟日常生活中的雾霾，比如上海的PM2.5怎么比较？这些暗物质雾霾的量远远达不到日常生活能够感知的量。太阳轨道附近每立方厘米的空间中，暗物质的总质量和一个质子的质量是一个数量级的。一克水中所含质子的量级在10的23次方量级，而暗物质与空气相比大概差了21个量级。而为何暗物质如此低的密度，居然在整个银河系中扮演如此重要的角色？原因在于暗物质存在的尺度非常大，如此的大尺度中即使弥散着很小密度的暗物质，也可以驱动整个银河系的形成和演化。
　　刚才介绍的现象已经被相关的天文观测所证实，但我们却不知道这样的参与引力作用的、让银河系高速旋转的暗物质具体是什么。同时我们也要问另外一个问题，这种物质是否像中微子一样，也由一个不可分割的最小粒子，组成了这些雾霾？这是我们要研究的内容。当然，这些研究需要很多来自理论家方面的想法，有的理论家告诉我们暗物质可能是一种粒子，也有理论家说暗物质或许是一种波动而不是粒子。但如果它是一种粒子的话，这种粒子除了万有引力，或许还参与一些其他的相互作用。这样的话就使得我们可以在太空轨道中发射探测器，来探测未知暗物质粒子和我们已知的可见物质之间的微观相互作用。
　　过去几十年中逐步建立了一个假说，即暗物质是参与弱相互作用的一种大质量的粒子，叫做弱相互作用重粒子，英文名称叫WIMP。如果假说成立，我们就可以通过多种手段来搜寻它。我们躲到地底下就是为了寻找这样的粒子，它击中地底深处的一个探测器，把探测器内的一个原子中的电子或者原子核撞出去以后，我们就能探测到飞出来的原子核和电子，这叫做所谓的“直接探测”。
　　刚才提到说，太阳是绕着银河系中心高速旋转，以220km/s（1‰光速）旋转。暗物质雾霾和普通可见的已知物质之间的相互作用很微弱，同时太阳系虽然在高速旋转，但是暗物质雾霾却并未旋转，所以相对而言，我们的太阳和雾霾之间相对运动，速度大小是太阳本身的旋转速度，即千分之一的光速。可以想象这样一个场景，太阳系的旋转就像是我们在雾霾天的上海街头行走，太阳“骑着”一个千分之一光速的电瓶车，暗物质雾霾迎面扑来，它携带了动量。通过雾霾粒子与靶之间的能动量转移，就可以来测量暗物质的存在。这个原理就是所谓的暗物质直接探测。
　　但这个想法在1985年才被正式提出，具体细节是将暗物质探测器放在非常安静的环境中，等待几十年或者更长时间。“守株待兔”等待着碰撞的信号，探测器内的原子是等待着暗物质碰撞的靶子。可以想象，虽然每毫升空间内只有质子重量量级的暗物质粒子存在，但暗物质以千分之一光速相对运动，那么每秒钟有十亿个暗物质粒子穿过探测器。而同时，探测器内约有十的29次方个原子作为“株”等着暗物质碰撞。这样一件理论上概率很大的事，按说“兔子”早该撞上了，可直到今天，我们还没有确凿证据说明探测到暗物质的存在。今天的实验结果，能让我们断定暗物质每年和每个人的碰撞次数小于一次。
　　这个实验困难之处在于探测器无时无刻不在受到其他因素的干扰。就像大亚湾的探测器，为了躲避环境中放射性的干扰，因而要躲到地底下，放在超纯水的水池中间。如果在地表建一个探测器，它就会受到宇宙射线和环境中其他伽马本底无时无刻的轰炸。我们人体每天和环境射线的碰撞次数大概有十亿次，与暗物质碰撞的比例相差十几个数量级。因此我们不仅需要把探测器放在2400米的山底下，使得大多数宇宙射线能够被屏蔽，同时还要用屏蔽体把探测器层层包裹，使得外来的伽马射线不能和探测器内部的原子相互作用。
　　上海最高的山是佘山，只有70米左右，显然上海不适合做这样的实验。十几年前季向东老师激动的找我回国来做这事，是因为国内恰好找到这样一个宝地，有2400米的岩石埋深可供使用。这个地方在哪儿？在四川横断山脉的山区，成都南部直线距离三四百公里左右。西昌是中国的卫星之都，是我们卫星的发射基地之一。西昌附近有一条蜿蜒曲折的金沙江的支流，叫雅砻江，雅砻江水利资源非常丰富，总体自北向南流，但在越过锦屏山的时候，拐了一个“几”字的弯。这个地方为何会有2400米的山洞？国家为了开发雅砻江的水利资源，在雅砻江上修建了一个全世界最高的大坝，利用它丰富的水利资源来发电。在建坝的过程中，为了运输需要把“几”字的锦屏山打穿。沿着17公里的极深隧道走到正中心时，上方有2400米厚的岩石，这是个得天独厚的环境。并非从山顶专门凿一个矿井，挖2400米到山底。

　　下图是09年隧道刚刚挖成时，看上去还有点阴暗，但现在已经漂亮很多。

　　通往实验室的隧道
　　这是我们2012年的时候首次把个实验装置运到锦屏山进行调试的照片。2010年，雅砻公司在完成整个隧道施工之前，为我们捐献一块地方用于科学实验，做成了很小规模的实验室，而这个很小规模的实验室就成了中国第一代暗物质实验的场所。

　　从1985年开始，国际上各种各样的暗物质探测层出不穷，而我国在09年才开始起步。目前的两个实验，一个是我们在做的由上海交大牵头的PandaX实验，采用氙进行暗物质探测。另外还有一个清华牵头的实验叫做CDEX，中文名称叫盘古，采用另外一种锗半导体晶体做暗物质探测。两者之间的探测方向不同，一个是对比较大质量的暗物质进行探测，一个是对比较轻质量的暗物质进行探测。

　　我主要介绍PandaX实验（即熊猫X），叫“熊猫”当然跟实验地在四川相关，熊猫也是四川的标志；X是Xenon（氙）元素的英文的首字母，通过氙探测器做粒子和天体物理交叉研究。所以叫做Particle and Astrophysical Xenon，这是PandaX名称的由来。
　　在过去的十几年中我们完成了两代实验。第一代实验用120公斤液氙做成探测器靶，进行暗物质探测，在2014年的时候结束。第二代升级成580公斤液氙。和大亚湾、江门这样的大型实验项目相比，探测器尺度要小得多，580公斤氙探测器才半人大小的，同时氙的密度大概是水的三倍左右，密度相对较大。

　　氙是最重的稳定惰性元素，同族最重的元素是氡，但氡三天后就衰变成其他物质，因此不适合做实验。氙在零下100度时变成液体，把它从气相变成液相后，可以做成一个体积相对较小，重量相对较大的探测器。
　　氙的价格比较昂贵，一公斤的氙市场价格在一万到一万五之间浮动。做580公斤这样的探测器要花不少的资金。它昂贵的原因并不是因为原料难得，而是因为必须通过空气多次分离才能把惰性元素分离出来，技术相对繁琐，因而全世界的年产量大概在60吨到80吨。
　　为什么要用氙来做探测器？在氙中，暗物质粒子除了和原子碰撞后产生闪烁光可以被测量到以外，暗物质粒子电离出的一些电子也能在探测器中转化为光信号，再次被探测到。因而这两个信号，初始的闪烁光和后续的电子信号结合起来后，可以做成3D照相机，任何一个散射的事件都可以确定它的X、Y、Z三维的位置。探测器做成一个桶状是出于技术因素考虑，安装和调试相对容易。

　　这个探测器还有其他的功能，比如可以通过测量光信号和电信号两者之间的分配，甄别信号和本底。本底就是噪声，而真正的信号是实验所想要找到的暗物质和原子核碰撞的信号。另外刚才谈到了氙本身的密度比较大，密度越大，屏蔽效果就越好。如果探测器外部对内部有一些干扰信号的话，可以通过对每一个事件的位置做3D重建，再把探测器最内部区域的信号拿出来做暗物质分析，而外面就这些厚重的氙屏蔽了外部本底噪声，所以叫自屏蔽效应。
　　我们的合作组，从2009年季向东老师发起以后，一直在稳定扩大。今天这个项目有70多位合作者，在国内有十几家合作单位。最开始的时候，因为地理位置诱人，美国有一个团队加入我们。但后来和美国、欧洲逐渐形成激烈竞争的态势。

　　下图是我们的PandaX实验装置。可以看到三米五的装置宽度，从外侧向内很多层都是屏蔽体，有塑料材料的聚乙烯，也有为了挡伽马射线的铅。中间的是高纯的铜，铜是目前通过电解得到的纯度最高的一种元素。高纯铜仅仅是探测器的一个绝热层，零下100度的液体需要在一个真空绝热的保温杯里面才能够长期稳定地运行，所以需要把高纯铜做成屏蔽体，再在其中抽真空。最终这个不锈钢的容器中间的580公斤的氙才是我们真正探测暗物质的探测器和靶子。

　　PandaX实验装置

　　这个是我们第一代实验月饼状的探测器，相对较扁，高度是15公分，上面和下面的光电倍增管的排列相对比较密集，为了高效率的测量闪烁光子和二次电离产生的光子。

　　2010年前后，国际上进行的一系列实验都说似乎找到了暗物质存在的信号。这张图上的每一个圈代表着暗物质可能存在的区域。但科学上每一个真正的发现，需要很多实验交叉验证。

　　首先需要质疑的第一个问题就是，这些圈儿在这张图上并不重叠，这些实验结果之间并不自洽。图的纵轴是暗物质和我们已知物质碰撞的频率，也就是暗物质粒子和我们普通物质之间相互作用的强度。越强的相互作用，碰撞的频率越大，就能够更早地找到暗物质。但是实验中并没有找到暗物质，就说明每年的碰撞次数很少。
　　图上横轴是暗物质的质量，横轴的最左边大概是一个质子质量，横轴的最右边是100个质子质量，我们在这个范围搜寻暗物质。一期实验并没有发现暗物质的踪迹，而我们实验的灵敏度又超过了所有这些国际上发现暗物质实验的踪迹，就说明我们的结果跟国际上是不相符的。当然，不仅我们没有发现暗物质，其他还有好几个灵敏实验的结果都没有发现，所以在那之后2014年国际公认，这些所谓的疑似事例，或许是某种未知的本底噪音信号，或者是由于一些统计的涨落引起。
　　这个是我们在洁净间中研制暗物质探测器的照片。照片里的我们都穿着防护服，好像很吓人的样子，似乎这个探测器在发射什么放射性射线来伤害我们身体，但实际上防护服的作用是防止我们人体的灰尘落入探测器中带来污染。

　　09年到14年我们起步的时候踩过无数的坑，探测器真正要在实验里用起来的话，要解决很多具体的问题。一代的探测器实验成功后，我觉得后面要升级二代探测器的话就是小菜一碟，可实际情况并非如此。2014年，120公斤的实验升级到第二代580公斤实验，好像就只是把探测器的高度从15公分拉到了60公分。一般来说装备一个探测器，从到最终成型，需要一到两年的时间。但实际上我们遇到了一些之前没有遇到的问题。
　　有一个最重要的问题，是我们的探测器遇到了一种来自于探测器未知的污染。空气中还含有少量氪气，是比氙轻一族的稀有气体。空气中有百万分之一的组分是氪气。氪气本来是无放射性的惰性气体，可是在二战以后，人工核燃料、做裂变生成了氪-85这种放射性同位素。虽然这种同位素释放的含量极其微小，不会为我们的身体带来危害，但足以对我们的探测器产生非常大的干扰。
　　刚才提到，对于氙探测器来说，外部的本底信号可以通过挑选内部纯净的事例进行筛选。但是如果少量的氪-85融到探测器内部，而氪-85又有很长的半衰期，因此就没有办法切出来一个干净的区域做暗物质的搜寻。所以没办法，探测器已经建成，中间却混了氪该怎么办？就需要另想办法把它给去除。
　　那么可以采用的方法是什么？所有的氙、氪都是从空气中分离的，根据不同物质之间的沸点不同，可以通过蒸馏的方法进行分离。而氙、氪之间的熔沸点不一样，利用低温精馏，可以将二者分离。所以我们就自制了一个精馏塔，把氪气的含量降到十亿分之一的量级，才能使我们探测器正常地运行。
　　探测器本来已经在锦屏山安装好了，但我们依然只能把探测器全部的氙全部回收，运回交大进行精馏。精馏完后又在过年期间把精馏后的氙运回锦屏山，然后开展运行。在三月和六月期间，我们有了一次稳定的运行。这次稳定的运行可以看出，氪的本底但是降到之前的十分之一。

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