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中国暗物质直接探测与极深地下实验室

岳骞 程建平
2018-09-27 08:40:46  来源:光明日报

  光明图片/视觉中国

  CDEX吨级实验计划装置示意图。光明图片

  CDEX吨级实验计划装置示意图。光明图片

  暗物质

  暗物质被喻为现代物理学天空上的一朵乌云,是近年来研究的热点和难点。中国物理学家们在暗物质探测实验和理论上有颇多建树,“悟空”暗物质粒子探测卫星、中国锦屏地下实验室开展的暗物质粒子探测等,都为解开“暗物质之谜”贡献了中国力量。不仅如此,在地下实验室建设和运行的过程中,科学家们认识到极深地下实验室在粒子物理与核物理、天体物理和宇宙学、岩石力学、生命科学等领域研究中的重要作用。现在,“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”正式入选国家“十三五”重大科技基础设施十个优先启动项目,预计将于2018年底正式开工。本期,我们邀请这一项目的主要参与者、清华大学工程物理系岳骞教授和程建平教授撰文介绍中国暗物质直接探测与极深地下实验室。

  日月交替,星辰变幻,激发了人类对自然宇宙的无限好奇与向往。几千年来,人类对宇宙认知越来越深,粒子物理标准模型诠释了宇宙的微观世界,大爆炸理论阐述了宇宙的宏观演化。但是,认知无止境,暗物质就是现代物理学天空上的一朵乌云。

  暗物质是人类在不断探索宇宙奥秘、认识世界过程中提出的一个重大前沿问题。科学家在过去近百年里对于暗物质的研究从最初的猜测发展到当前多方向多领域多技术途径全面探测和找寻,展现出“百花齐放、百家争鸣”的景象。可以预期,暗物质之谜将在相当长时间内作为物理学最前沿科学问题,吸引越来越多科学家和大众的关注。

  暗物质与超出粒子物理标准模型的新物理

  到底什么是暗物质呢?暗物质,通俗地讲就是那些既不发射光,也不吸收和反射光的物质。由于暗物质还是属于物质范畴,因此和普通物质一样,具有引力效应。暗物质问题是由瑞士科学家兹维基(Fritz Zwicky)在1933年解释天文观测的一些新现象时提出的。到目前为止,暗物质存在的多个科学证据都是由天文观测给出。科学家根据天文观测数据和研究结果得出暗物质质量约占宇宙物质总质量的百分之八十到百分之九十,而且分布在宇宙的各个角落。那么,如此巨大的宇宙物质质量,必定在物质起源和宇宙演化过程中具有重要的地位。研究和理解暗物质的本质将会影响和改变人类对于宇宙的认识。

  暗物质问题提出以来,科学家们发展了各种各样的理论模型,给出了许多不同可能的暗物质候选者。当前暗物质主要候选者是运动速度远小于光速的冷暗物质。然而,在过去一个世纪逐步发展到近乎完美的粒子物理标准模型中却找不到可以作为冷暗物质的候选粒子,使得物理学家们纷纷转向了超出粒子物理标准模型的新物理。这就预示着暗物质和新物理有很大关联,因而暗物质研究变得更为重要。在很多新物理中都预言了标准模型之外可以作为冷暗物质候选者的粒子,其中弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP)和轴子(Axion)等一些可能的暗物质候选者受到了广泛的关注,成为当前暗物质探测研究的主要对象。

  暗物质探测的三种方式

  暗物质理论的正确性需要实验检验。根据当前主要的暗物质理论模型和候选粒子,暗物质实验探测方法主要分成直接探测、间接探测和加速器实验三大类。

  暗物质直接探测实验通过探测暗物质与普通物质相互碰撞后靶核的反冲能量、方向、数量及其随时间变化等参数和特性来研究暗物质粒子的基本性质。对于10千兆电子伏特以下轻暗物质的直接探测,我国清华大学领导的CDEX合作组所用的低阈值点电极高纯锗技术和美国CDMSLite合作组所用的声子放大高纯锗技术是两种代表性的技术路线。对于10千兆电子伏特以上的重暗物质探测,基于气液二相氙/氩探测器技术拥有优势。国际上基于液氙的实验主要有美国LZ、欧美联合XENON和我国PandaX实验,基于液氩的实验有欧洲的DarkSide实验。

  暗物质间接探测实验通过探测暗物质粒子自身衰变或者相互碰撞后湮灭的产物来研究暗物质的基本性质。这些产物一般包括伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。间接探测实验大多是发射卫星到太空中或者把实验设备安装到空间站上进行。例如中国的“悟空”暗物质探测卫星、欧洲AMS-02卫星实验等等。此外,还有高空气球、地面望远镜、冰下探测器等形式。例如,美国领导的ICECube实验组在南极冰盖下建造了体积约一立方公里的巨型冰探测器来间接探测暗物质。

  加速器暗物质实验通过探测常规粒子在高能对撞下的产物来研究暗物质。普通物质粒子以较高的能量对撞时可能会产生暗物质粒子。目前国际上的大型加速器实验都不是专门为探测暗物质设计的,暗物质粒子极有可能在穿过所有的探测器时不留下任何痕迹,只是带走部分能量,从而在探测器系统中造成“能量丢失”。根据探测器系统中“丢失能量”的测量可以推断是否有暗物质产生,进而研究暗物质的动量、质量等性质。加速器暗物质实验要求加速器能够将标准模型粒子加速到较高的能量,目前国际上的科学家主要基于欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)开展研究,但还没有给出暗物质的可能信号。

  这些暗物质探测实验中,直接探测实验具有重要地位。随着实验技术和方法的不断提升,暗物质直接探测实验从上世纪九十年代开始进入快速发展期。我国科学家也积极参与到国际暗物质直接探测实验中。例如,中国科学院高能物理研究所的一些科学家参加了意大利DAMA实验组,利用碘化钠探测器直接探测暗物质粒子。

  暗物质直接探测的“中国力量”

  2003年,清华大学暗物质实验组率先启动了我国自主暗物质直接探测实验,采用高纯锗探测器直接探测10千兆电子伏特以下的轻暗物质粒子。由于我国当时没有深地实验室,清华大学实验组利用韩国襄阳地下实验室开展了前期暗物质探测系统关键性能测试和研究,证实了低能量阈值高纯锗探测器在轻暗物质直接探测方面具有很强的国际竞争力。

  2009年,清华大学联合雅砻江流域水电开发有限公司,利用雅砻江公司建设锦屏水电站工程中开挖的17.5公里长的锦屏隧道,建设了总容积约为4000立方米的中国锦屏地下实验室(China JinPing Underground Laboratory,CJPL),其垂直岩石覆盖最薄处达到了2400米,成为了世界最深的地下实验室,为我国科学家迅速开展暗物质实验提供了国际一流的极少宇宙线粒子“干扰”的洁净地下实验空间。2010年,随着中国锦屏地下实验室的建设和运行,以及国家科技部973项目“暗物质的理论研究和实验预研”对于暗物质理论和实验研究的立项支持,我国暗物质研究进入发展快车道。

  2009年,清华大学牵头组建了新的CDEX合作组正式开展基于中国锦屏地下实验室的暗物质实验研究。2010年底CDEX合作组率先入驻中国锦屏地下实验室,利用极低能量阈值高纯锗探测器开展10千兆电子伏特以下的轻暗物质粒子探测研究。2013年,CDEX合作组发表了我国第一个完全自主的暗物质直接探测物理结果,实验灵敏度达到国际第一阵营水平。2014年,CDEX合作组发表的新结果,不仅给出点电极高纯锗直接探测暗物质国际最灵敏的结果,还采用相同的探测技术,确定性地排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的发现暗物质存在的实验证据(CoGeNT论文2011年发表至今,引用数量已经超过900次)。2018年6月,CDEX合作组发表新的暗物质实验结果,给出了当时暗物质轻质量区间4-5千兆电子伏特能量区间国际最好实验结果。清华大学领导的CDEX合作组不仅取得了国际领先的物理成果,而且还在高纯锗探测器这一先进半导体辐射探测技术方面取得了自主突破,成功研制出世界上第一款基于金属氧化物半导体型场效应管前放读出电子学的高纯锗探测器,打破国际垄断,完成原始技术创新。

  2012年上海交通大学领导的PandaX实验也入驻中国锦屏地下实验室,利用液态氙探测器开展暗物质直接探测实验,主要探测10千兆电子伏特以上的重暗物质粒子。2014年PandaX实验组发表了该实验组第一个实验结果。2017年PandaX实验组给出了当时100千兆电子伏特能量以上国际最好实验结果。

  国之重器——“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”进行时

  在暗物质实验研究和地下实验室建设过程中,我们深刻体会到,地下实验室,特别是极深地下实验室,能为重大基础科学研究提供综合性的研究平台,对国家的科学进步具有十分重要的意义。目前,美国、日本和欧洲都在持续推进深地实验室新建和扩建工作,积极为科学家提供国际一流的实验平台,期望本国科学家能够在激烈的前沿物理问题研究中取得引领地位。

  我国自主暗物质直接探测实验取得的国际瞩目的研究成果进一步推动和加速了我国基于深地实验室的粒子物理前沿问题的研究工作。近些年中国科学家提出了多个重大前沿问题研究计划,除了暗物质直接探测实验计划外,新的研究方向包括了无中微子双贝塔衰变实验、核天体物理实验、太阳中微子实验、深地岩土力学实验、深地生物实验等等。特别是暗物质直接探测实验和无中微子双贝塔衰变实验,是粒子物理核物理领域的稀有事例探测实验,属于最前沿的科学课题。每一个研究课题又有多个相互竞争,又相互补充的实验方案。这些实验计划需要更大规模的地下实验空间和更优化的实验平台条件来支撑,才有可能取得具有国际竞争力,甚至国际领先水平和突破性的研究成果。因此近年来国内外科学家都希望中国锦屏地下实验室能够进一步扩建,提供更大更优越的地下实验平台。

  2014年,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司在现有中国锦屏地下实验室地下空间的附近,利用锦屏隧道施工留下的辅助隧道,开挖和建设了总容积约为30万立方米的中国锦屏地下实验室二期地下实验空间,并于2016年完成锦屏地下实验室全部地下空间建设工作。中国锦屏地下实验室,凭借其2400米深的岩石覆盖厚度、30万立方米的可用地下空间、每年每平方米约60个宇宙线粒子的通量,以及可以直接开车进入的平行隧道进出方式等特点,成为国际上岩石覆盖最深、可用空间最大,宇宙线干扰最小、综合条件世界一流的地下实验室。

  2016年底,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司联合提出基于中国锦屏地下实验室二期大型地下空间建设国家重大科技基础设施——“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”,得到国内外科学界的广泛支持,被列入国家“十三五”重大科技基础设施建设指南。2017年“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”正式入选国家“十三五”重大科技基础设施十个优先启动项目,成为一项新的“国之重器”。2018年4月“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目可行性研究报告通过国家发展和改革委员会和中咨公司组织的专家委员会评审,目前正在开展工程设计,预计2018年底正式开工。

  从CDEX合作组2013年发表我国第一个暗物质直接探测实验成果,到2018年上半年,我国两个自主暗物质实验都取得了相应能区国际最好的暗物质探测灵敏度。可以看到,我国暗物质研究不仅在较短时间取得了国际先进水平的暗物质研究成果,而且还推动了我国的深地实验室建设。目前,国际上其他实验组又发表了新的更好的暗物质探测灵敏度实验结果。暗物质直接探测实验国际竞争呈现出胶着状态,并且将持续一段时间。我国暗物质直接探测实验研究已经处于国际“并跑”的地位,需要继续保持目前的状态,力争在激烈的国际竞争中取得引领地位。清华大学领导的CDEX高纯锗暗物质直接探测实验、上海交通大学领导的PandaX液氙暗物质直接探测实验以及中国科学院高能物理研究所领导的液氩暗物质实验都获得了国家重点研发计划支持,正在中国锦屏地下实验室二期大型实验空间中建设暗物质实验系统,为下一阶段开展更大规模的暗物质实验积极工作。

  从我国暗物质直接探测实验的发展轨迹,以及基于中国锦屏地下实验室的国家重大科技基础设施建设历程来看,国家对重大基础前沿研究和重大科技基础设施的持续稳定支持,对于科学家在基础前沿领域取得国际竞争优势,形成我国拥有的世界水平的基础前沿研究高地意义重大。同时在基础前沿研究项目的牵引下,科学家也会不断开展尖端技术研究,带动我国核心技术的突破和跨越,进而通过长期科学和技术的积累,实现创新型国家建设使命。

  (作者:岳骞,系清华大学工程物理系教授,中国锦屏地下实验室物理科学部主任;程建平,系清华大学工程物理系教授,中国锦屏地下实验室主任。)

编辑:张苇柠

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