欧博亚洲(www.aLLbetgame.us):4吨 “熊猫” 归来,围捕暗物质再下一城|专访刘江来

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“熊猫”归来

位于四川凉山州、2400米下的中国锦屏地下实验室 | 摄影:邸利会

编者按

暗物质的探测是国际天体物理学界的热门研究领域。最近,中国PandaX实验谈话人刘江来示意,升级后PandaX-4T(“熊猫4吨”)最新实验效果,缩小了暗物质粒子可能存在的局限。

这一实验的效果详细若何?意味着什么?暗物质探测的未来会怎样?请看《知识分子》对刘江来的访谈。

撰文|邸利会

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2021年7月8日下昼4时,上海交通大学教授、PandaX实验谈话人刘江来在马塞尔・格罗斯曼(Marcel Gros *** ann)国际广义相对论大会上宣布了PandaX-4T(“熊猫4吨”)的首个实验效果,虽然依然没有探测到暗物质,但再次缩小了其可能存在的局限。

在所有的宇宙物质中,看不见的暗物质占到了约85%,是我们熟知的所有通俗物质(如质子、中子、电子等)的5倍多,主宰了星系和星系团形成。但迄今为止,人们对它的领会还相当有限,好比连暗物质粒子的质量是若干都不清晰。

PandaX实验位于四川凉山州、2400米下的中国锦屏地下实验室,接纳液态氙作为暗物质靶和探测器。根据实验的设想,暗物质粒子碰撞到氙原子核后反冲,将在探测器中发光或发生其他氙原子的电离,进而可以被探测器中迅速的光电器件纪录下来。

在我们今天的科学认知下,银河系被暗物质晕所包裹,就像是笼罩在一大片 “雾霾” 当中。当太阳绕着银河系中央以近1/1500的光速高速旋转时,也带着地球和这片 “雾霾” 发生着高速的相对运动。现实盘算出来,每秒钟也许有10亿个暗物质粒子撞击着我们的身体,但大多都 “穿身而过” ――暗物质和我们身体中的原子发生碰撞的次数却十分希罕,约莫一年一次。可以想见,直接探测暗物质是何等难题的一件事。

在已往的10余年中,PandaX互助组已经完成了两代暗物质实验。为了提升探测的迅速率,液氙的规模从第一期的120公斤,提升到二期的580公斤(其中PandaX二期实验曾取得那时对暗物质粒子的最强限制,功效入选2017年美国物理学会亮点)。2019年起,PandaX升级建设新一代的4吨级实验。

本次的PandaX-4T探测器 *** 有5.6吨的高纯氙气,其中迅速区域到达了3.7吨。除了氙的规模增大,影响探测的另一要害因素,实验的本底也获得了大幅降低,削减了对观察信号的噪声滋扰。本底也称为 “靠山辐射”,其泉源多样,好比有自然放射性物质(如氡和镭)造成的环境辐射、宇宙线辐射,以及核试验或核事故的余尘。

认真中央探测器研制和数据剖析的上海交通大学周宁副教授示意,通过多项低本底手艺的改善,在同样的曝光量下,PandaX-4T的本底比上一代的PandaX-II降低了4倍。

作为国家发改委 “十三五” 重大科学基础设施项目之一,PandaX-4T所在的锦屏二期实验室,原本预期2023年完工。但面临猛烈的国际竞争,为了加速实验进度,PandaX团队在锦屏二期实验室B2实验厅中提前建设了暂且配套设施和900吨的超纯水屏障装置。

2019年8月,实验组提前进驻后,战胜了诸多手艺挑战和新冠疫情造成的影响,于2020年5月尾完成探测器安装;11月28日,探测器调试完成后进入试运行,今年4月15日竣事运行,进入数据剖析。

在总共95天的运行中,PandaX-4T探测器纪录了约13.7亿次的事宜,其中仅有1058个事例通过筛选进入了最终的暗物质剖析数据集。这些事例中有6个事例落在了信号区域内,通过剖析,和本底预期吻合,未泛起暗物质事例超出的迹象,也就是没有发现暗物质。

现在,国际上在建的多吨级液氙实验,另有位于意大利Gran Sasso实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验。这次是PandaX在猛烈的国际竞争中取得再次领先。《知识分子》第一时间约请到PandaX实验谈话人刘江来,请他聊聊这次的4吨实验以及暗物质探测的未来远景。

PandaX-4T(“熊猫4吨”)实验部门成员合影 | 图由PandaX实验组提供

刷新暗物质粒子存在局限

《知识分子》:为什么选择在马塞尔・格罗斯曼国际广义相对论大会上宣布此次的探测效果?

刘江来:倒也不是刻意选择在这个会上宣布。三个月前我收到了大会的约请,让我做一个大会约请讲述,谁人时刻我们刚刚终止这一个阶段的运行。我们也许估量了一下,以为这几个月应该可以把效果相对完整地展现出来。

这个会虽然名为广义相对论大会,但实在已经包罗天文、宇宙学、粒子等偏向,研究宇宙中最深条理问题,这次有1000多人加入,我以为也挺适合宣布我们这个效果。

《知识分子》:数据剖析的历程还顺遂么?

刘江来:总体是对照顺遂的,我们也在很短的时间内啃下了几个硬骨头。由于这是一个全新的实验,刚调试好的探测器,需要在暗物质探测的能区筛选出物理数据,基本上都要从零最先做。尤其是第一步,在很低阶的剖析中央,怎样把疑似信号的数据选出来,不把事例遗漏,同时又不让太多的噪音混进来。我们大致有三分之二的时间花在研究数据筛选条件上。后面的剖析基本是根据我们以宿世长的方式做的,对本底剖析上有一些手段的刷新和优化,整个剖析应该算顺遂。

7月8日宣布的 “熊猫4吨” 实验的首个暗物质征采效果 | 图由PandaX实验组提供

《知识分子》:这张示意效果的图,透露了哪些信息?

刘江来:这次实验刷新了暗物质性子的界限,这里的性子指的是暗物质和核子的相互作用,用散射截面(上图的纵坐标)来示意。若是找到了暗物质信号,就是确实丈量到截面了;若是没有找到,截面就有一个界限值(上限),意味着它以下的参数空间照样可能的,以上的参数空间就清扫掉了。

这张图的最下方的红线就是我们以90%的置信度给出的界限值,换句话说暗物质和核子相互碰撞的截面,也许率应该在这条红线之下。

红线上面的黑线,标着2018年意大利XENON1T实验最终的一吨年曝光量给出的限制。我们现在的效果和他们相比,清扫界限强了约30%。

对照宽的绿条带体现的是探测器的迅速率带,意思是假设真实信号为零,预期误差涨落下探测器得出的界限值上下浮动的局限。我们这个实验最终的清扫线在绿带内,显示出并未发现有显著的暗物质超出的迹象,简朴说就是还没有发现暗物质。

一样平常而言,若是清扫线显著的高于这条绿带,就说明是瞥见了一些暗物质的迹象了。希格斯粒子发现的时刻也是类似,最最先实验效果由于迅速率受限,清扫线和迅速率带是吻合的;厥后逐渐清扫曲线超出迅速率带了,也就是说看到了疑似超出了。到了一准时刻,超出若是许多的话,就不画这条清扫曲线了,而是就画真正发现暗物质在哪的圈了。

极其痕量的氚杂质

《知识分子》:这次探测稳固取数了95天,之后为什么不继续了?

刘江来:在取数的历程中,有一个意料之外的本底逐渐展现出来。这个本底可能是由于在前一代探测器中,我们那时做刻度实验时注入的,没有完全被去除清洁,又进入我们4吨的探测器里,而且我们发现不能有用地在线去除这个本底。自4月起,我们中止了运行,正在实验做一次离线去除――就是把探测器内里的氙所有取出来,通过低温精馏的方式,将氚进一步去除后再将氙重新冷却灌注回去。

《知识分子》:实在这次氚也是痕量,但到底少到什么水平?

刘江来:凭证我们的数据盘算,氚和氙的摩尔比约是0.5×10-23;在100克氙中央,小于一个氚原子这样的浓度,以是是极其极其微量的。

《知识分子》:必须把氚星散出来?

刘江来:现在由于氚的本底过多,是暗物质剖析最主要的一个本底,若是不把它降低的话,迅速率就对照难提升了。

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《知识分子》:怎么知道哪个事例是何种本底,哪个事例是暗物质信号?

刘江来:我们接纳的是所谓的 “似然法” 剖析。每一个事例就像有 “盘据人格” 或者 “四不像”,有可能是氚,有可能是氡,有可能是中子,有可能是暗物质,然则相似性各有差异。因此我们并不能绝对的判断每个事宜谁是谁,事宜的区分是统计意义上的。

《知识分子》:之前你们就一直在去除氡的本底,这次还存在?

刘江来:好新闻是PandaX-4T里每公斤氙中氡的含量较我们上一代的PandaX-II降低了6倍。以是相对照而言,氚是更严重的问题。暗物质事例预期处于低能区,和氚的本底的能区相符,而氡事例的漫衍的能区对照平均,因此氚本底对于暗物质的影响比氡要大不少。因此我们决议先停机,把氚问题先解决了再说。

《知识分子》:在正式最先取数之前,也都有本底的测试,那时氚没测出来?

刘江来:最大的难度照样由于氚的量着实太低。对于以往我们碰着的氪和氡这些惰性气体本底,原则上照样可以通过自力的方式把它们测出来;现在我们的氚的浓度是每100克氙中少于一个氚原子,已经超出所有的自力丈量的迅速率。唯一能够数出到底有若干氚的方式,就是等到探测器稳固运行后积累大量的统计量。这就成了个悖论――你并不知道探测器中有若干氚,就得最先去运行。你能做的就是用尽你以为可以去除氚的手段(好比低温精馏),然后赌一把。

《知识分子》:未来在本底方面的目的是?

刘江来:氚我们希望能够降一个数目级,设计把总体的本底降低至少两倍以下。

触达中微子地板之后

《知识分子》:像这样的氙探测实验,实验的终点在那里?

刘江来:现在我们不知道暗物质在那里。找到那里为止呢?一样平常而言,人人的 “既定目的” 在所谓的中微子地板,也就是探测器迅速到可以看到大气中微子的本底。凭证盘算,要到达那里,液氙探测器大致需要200吨的探测器运行一年(30吨探测器运行7年)的曝光量。

这还仅仅是体量的需求。另外的要求就是探测器本底,最终你需要考察到中微子本底,以是对其他放射性的本底的控制就要和中微子本底看齐。大略的讲,我们对本底控制的目的就是其他的本底加在一起和中微子本底是1:1。

《知识分子》:若是触到达中微子地板会发生什么?

刘江来:最显著的结果就是这个探测器可以最先做中微子物理了,这将打开一个全新的研究偏向。

现在中微子两大研究偏向,一是研究中微子的基个性子,好比像大亚湾和江门实验研究的中微子振荡、质量顺序等。

另外一个研究的前沿,是行使中微子作为猛烈天体征象的信使,也被称为 “中微子天文学”。届时我们的探测器酿成了中微子天文和引力波、电磁波等连系的多信使天文,现在是一个如日中天的交织领域,大有可为。

《知识分子》:若是说触达中微子地板了,那暗物质还存在吗?

刘江来:可能存在,然则截面或者是作用太微弱,探测器不够迅速了。固然,我们现在也在想其余设施,液氙探测器若何能够突破中微子地板;若是没有更好的设施,那么暗物质直接丈量这条路生怕触及到中微子地板就不能推进了。然则对这些中微子的准确丈量将会打开一个全新的天窗。

《知识分子》:现在还没有设施把中微子的本底去掉?

刘江来:现在没有找到设施。有人说用偏向性的手段,由于中微子大多是各项同性的,但暗物质的偏向和太阳绕着银河系的旋转偏向相关。然则一个大要量的探测器,异常难分辨出低能散射的偏向。

据我领会,国际上至今没有一个可靠的方案,能够在很微弱的碰撞截面下,依然把偏向给测出来。

熊猫4吨实验探测器13米高的巨型圆柱形超纯水屏障体钢罐 | 摄影:邸利会

迈向30吨

《知识分子》:若是探测器最先重新取数,接下来的设计是什么?

刘江来:继续做好4吨的实验和物理研究。此外我们也在设计下一代加倍迅速、加倍大规模的实验。等到下一代探测器建设完成以后,我们就会住手4吨的实验,然后举行升级事情。

《知识分子》:设计的是30吨的氙探测器?

刘江来:对。2016年,我和季向东先生写了一篇暗物质探测的综述文章,上面就提到这个30吨的液氙探测器实验。在获得支持之前,我们现在还不确定最终的体量是若干。

《知识分子》:下一代的探测实验,另有哪些挑战?

刘江来:总体而言,探测器本底的降低和体量的扩大会使总的迅速率提升。固然要做的事情细节还许多。越大的探测器,若何读出那么多的信号,若何最小化时间漂移室电场的形变对探测器造成影响将是严重挑战;越大的探测器,用的质料也越多,若何降低质料本底,若何降低氚、氪、氡等本底,我们一直在研发解决这些问题。但这类实验就是这样的,每一个阶段的问题解决了以后,下一个阶段又会碰着新的更难的问题。

《知识分子》:多吨级液氙实验,现在另有意大利 Gran Sasso 实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验,请简朴评述一下现在希望的情形?

刘江来:我知道他们的进度和我们很靠近,要么是在准备实验,要么就已经最先试运行了。我所知道的都是公然信息,凭证他们的官方的时间表,应该在近期会有新的效果出来。意大利的实验是6吨,美国是7吨,都要比我们现在的4吨的体量大。

《知识分子》:暗物质这个领域,理论方面似乎不是稀奇有力?不像广义相对论一出来,理论上明确指了个目的,天文学家去验证就可以了。

刘江来:七八十年月你若是问这个问题的话,人人一定都市不约而同地说,理论家已经给偏向了,那就是超对称。但今天由于没有找到暗物质,人人对超对称的信心也已经摇动了。在已往的几十年,应该说超对称被研究的异常多。它预言的暗物质有很大的区域,若是找不到暗物质,超对称调整下参数空间或许还能活,但人人逐渐信心摇动了。

对于科学发现,民众照样对照习惯于 “爱因斯坦模式”,预言完了,一看水星进动,马上就验证了理论。但说真话,谁也不知道会怎样。科学的发现,不能只类比爱因斯坦发现广义相对论。许多粒子物理的发现,实在一最先也是有很大的可能区间;找到新粒子后,就打开了一个窗口,新的理论就泛起了,或者已有理论的参数便确定了,历史上也触目皆是。这些实验的发现或许没有爱因斯坦发现广义相对论那么伟大,或者说爱因斯坦广义发现相对论的模式可能是一个破例,而其他科学发现的模式加倍普遍。

《知识分子》:暗物质探测异常热,除了地面的方式,天空中也有,好比明年升空的欧洲的欧几里德太空望远镜等项目,怎么看这些空间的项目?

刘江来:空间观察和地面的实验一定是互补的。宇宙的大尺度结构、银河系等星系都是靠暗物质的引力势形成的,准确的研究微波靠山辐射、大尺度星系结构等等,能够获得暗物质和通俗物质相互作用的一些信息,然则是间接的。利益是这些空间项目不需要守候暗物质来碰撞探测器,有大量的观察样原本研究。

我最希望的照样科学家能够在实验室里,研究暗物质和通俗物质的微观相互作用详细是怎么样的,就像我们在地下实验室做的事。

参考资料

1. 最新:PandaX-4T实验宣布首个暗物质征采效果,https://news.sjtu.edu.cn/jdyw/20210708/155013.html

制版编辑 | 卢卡斯

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原文题目:《4吨 “熊猫” 归来,围捕暗物质再下一城|专访刘江来》

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