銀河系為何能高速旋轉?找到宇宙幽靈暗物質就能解答

銀河系為何能高速旋轉?找到宇宙幽靈暗物質就能解答
2020年06月04日 07:18 科學大家

  出品:新浪科技《科學大家》、未來論壇

  主講嘉賓:劉江來,上海交通大學物理與天文學院教授,未來論壇青創聯盟成員

  2019年,諾貝爾物理學獎分別授予了兩個領域:一個是行星動力學的領域,另外一個是給了宇宙學。宇宙學的獲獎者的名字叫詹姆斯·皮布爾斯,他從60年代開始,對宇宙學做出了一系列開創性的工作,用一個自洽、完整的精確描述了宇宙從最早的大爆炸一直到今天的演化歷史。他把微觀的粒子物理和宏觀的宇宙學聯系在一起。根據這個“物理宇宙學模型”,當前占宇宙組分27%的看不見的暗物質,是宇宙演化的必要因素,甚至可以說是推動了宇宙的演化進程。

  銀河系為何能高速旋轉?

  為了解釋銀河系的銀盤為何能夠如此高速旋轉,需要用一個巨大的暗物質暈籠罩著銀河系,中間蘊藏著的暗物質就給銀河系中高速旋轉的星系提供了引力勢能。如果我們把每顆星(包括太陽系)繞著銀河系中心的旋轉都觀測出來的話,就能把暗物質的分布推算出來。

  我們今天知道,在太陽軌道附近暗物質的密度,大約是1/3個質子的質量每毫升!質子的質量是10的負27次方千克。暗物質的密度比空氣密度要低21個數量級,1后面要跟21個零!

  你可能會問,這么稀薄的暗物質,比空氣低這么多數量級,為什么會影響銀河系的演化呢?答案是這樣的,這樣稀薄的暗物質對小尺度肯定沒有影響,但是當它聚集到很大、大于銀河系的尺度,就可以像粘合劑一樣把銀河系粘在一起,宇宙才能夠形成今天這個樣子。

  今天,我們真正想了解的并不是暗物質在天文學、宇宙中的表象,我們更想理解暗物質到底是什么?就像我們已知的所有東西,人也好、動物也好,細菌也好,病毒也好,不停往下分,分到最后的話,最后就分成所謂的基本粒子,比如電子、質子這些了。每一個電子長得一模一樣,雖然質子并不是最基本的,質子下面還有夸克,但是組成它們的上夸克總是一樣的,下夸克總是一樣的,也就是存在最小的、不可分割的單元。

  給暗物質畫“肖像”

  同樣,暗物質本質的研究,就是要給一個最不可分割的暗物質基本粒子來畫肖像,了解它的質量是什么樣、電荷是什么樣(應該為零)、自旋是什么、相互作用的強度是什么,這就是我們想做的研究。

  如果暗物質和普通物質之間,除了引力相互作用之外還有一種微觀的相互作用,比如上世紀70年代就開始流行的弱相互作用重粒子(WIMP)的理論,這種暗物質的粒子就可以在實驗室更加精細的研究。

  總的來說有實驗上有三種主要手段,一種叫做直接碰撞;第二種是測量他們被“破壞”之后的產物;第三種是在很高能的加速器上把暗物質產生出來,我們通常稱為這直接探測、間接探測和對撞機探測。

  今天最主要的部分是講直接探測。直接探測的原理還是要回到我們上文銀河系的圖像,即整個銀河系是被暗物質的暈包著。

  你把暗物質暈可以想象成包著銀河系很大的“霧霾”,太陽系就像騎著摩托車的人一樣。摩托車以高速相對“霧霾”前進,這個速度大概是光速的千分之一。這樣“霧霾”粒子就對著騎摩托車的人有很大的動量。因此對于地球上的探測器,暗物質粒子攜帶著動量和能量,可以通過普通物質受到撞擊以后得到的反沖來測量這種暗物質。

  這個簡單的原理是1985年由Witten和Goodman提出的想法,尋找暗物質和普通物質原子核相互碰撞以后原子核被踢出去的信號。但如果你發現了這種非常微弱的碰撞之后,你怎么就能說這個信號就是暗物質造成的呢?這就是實驗家要做的事,他們不是僅僅在等,他們需要理解什么樣的信號是真正來自暗物質和普通物質的碰撞!

  那暗物質和普通物質容易碰撞嗎?一定很難,要不然今天早已經找到了!可是為什么這么難,就比較難理解了。每一秒鐘到底有多少暗物質穿過我們呢?可以做一個數量級估算。因為我們知道暗物質的密度,知道它們的速度,這樣就可以算出來,每秒鐘有十億個暗物質穿過人的身體。而每個人身體中間大概有10到29次方個原子,也有同樣多的原子核。這兩個數乘在一起,暗物質應當很容易撞到普通物質。可今天我們知道,每年這樣的暗物質和每個人碰撞的次數是小于一次,這不是理論推斷,而是實驗結果!

  我們沒有看到暗物質,是因為它們同普通物質的相互作用非常非常的微弱!這么微弱的相互作用,尋找是非常困難的。

  今天我們所處在的地表環境,身體和環境中間的宇宙射線、伽瑪射線等每天都要碰撞十億次,所以和一年一次的暗物質碰撞事件來比,這些碰撞多得多。因此我們要想辦法把探測器藏起來,藏到干擾因素很低的環境中。

  去除宇宙射線干擾沒有很聰明的辦法。目前測暗物質的實驗都躲在地底下,通過地表的巖石把來自宇宙中間的高能帶電粒子擋住。而對于環境中的伽瑪射線,這些射線無處不有,在極深的地下也有,我們需要把探測器層層包裹起來,用熟知的鉛、銅材料把伽瑪射線擋住。

  在過去的十年間,中國在暗物質探測方面有比較快的發展,我國的錦屏地下實驗室為這個領域提供了絕佳的機遇。

  “熊貓”實驗:直接探測暗物質

  2009年,在雅礱水電和清華大學的共同推動下,在錦屏隧道的中間擴挖了一個實驗室,實驗室到山頂的垂直距離是兩千四百米,叫中國錦屏地下實驗室。在此之后,中國有了自己的地下實驗室,而且這個深地實驗室是全世界最深的。

  有了這個地下實驗室,中國科學家開始了第一代暗物質實驗。其中由上海交大牽頭的實驗叫“熊貓”實驗,或者叫PandaX實驗,使用液氙這種靶材料,來探測比較重質量的暗物質。

  另外一個是清華大學牽頭的,叫做CDEX實驗,使用非常純的鍺作為靶材料來探測比較輕質量的暗物質。兩個實驗都在過去的十年中間有比較快的發展。

  今天我來重點給大家介紹一下,我所參與的PandaX的實驗。之所以起這個名字,某種意義上是因為實驗身處于四川,Panda又是四川的吉祥物。但是名字的真正意義是幾個英文詞的組合,Particle AND Astrophysical(粒子和天體物理,因為暗物質本身既是基本粒子particle的問題也是一個天體物理astrophysical的問題),最后這個X就是氙元素英文Xenon的簡寫。

  我們在過去十年中已經成功的研制并且運行兩代實驗,第一代實驗叫做PandaX-I,左圖上看到和一個人比較的探測器,它是個120公斤級的暗物質探測器。2014年開始我們升級到第二代580公斤級暗物質探測器叫PandaX-II。后面我會對這兩個實驗做一個簡介。

  實驗所用的氙是已知最重的、穩定的惰性氣體。還有更重的一種叫氡,氡是不穩定的,最長壽命的氡只活四天,半衰期就到了,就會衰變。氙首先它無色無味,在液態的時候,密度大概是水的三倍。氙在我們的實驗中是探測暗物質的靶子,必須有大量的氙才能探測暗物質。

  探測器的原理也相對簡單,讓氙在圓柱體的容器中間液化。需要能夠“看到”暗物質和氙原子核碰撞之后,氙原子核被踢出去攜帶的微弱信號。信號的能量往往是通過光子和電子兩種形式攜帶的。

  因此你要想一個辦法,可以把光子和電子都“看見”。光子相對好辦,我剛才說了氙是一種無色無味透明的液體,光子在氙中間可以傳播,假如我把圓柱體的上下放上可以探測非常微弱的光的器件組成的陣列,就可以把光子抓到。

  電子怎么辦呢,氙本身是惰性氣體,所以電子在氙中間被電離出來之后,其他的氙原子并不會把電子吃掉。如果探測器上加上一個電場以后,這些電子會在電場下漂移。當它漂移到液體和氣體的界面,這時候要用一個更強的電場,把電子拽出去,再把電子轉化為更多的光子,這時候這些光子又會被探測器上下的陣列探測到。由于靶子是液氙,同時電子漂到氣液二相的界面的時候才會產生二次發光,這個技術被稱為兩相型液氙技術。這樣探測器比較容易代代升級做到很大。

  這樣的探測器可以將每一個碰撞事例的三維位置XYZ重建出來,像是一個三維的照相機。同時,當你能夠對光子和電子進行同時測量,它會對我們所說的暗物質碰撞的信號同其他的假信號(本底)有很好的區分。最后由于氙本身的比重很重,是水的三倍,因此外圍液氙對內層液氙做了屏蔽,可以有效的降低實驗的本底噪聲。

  上圖是錦屏實驗室里PandaX裝置從上往下看的整體圖片。這里面并看不到探測器,看到的只是屏蔽體。總體的寬度是3.5米,從外到內有不同的顏色,白色、黑色、白色,分別是聚乙烯、鉛、再加一層聚乙烯。聚乙烯中富含質子,質子的重量和中子接近,所以環境中的中子碰到聚乙烯的質子以后很快被擋住,是非常好的中子屏蔽體。鉛能夠很有效的把伽瑪射線擋住。

  再往里面看,這一層金屬顏色就無氧銅的屏蔽體。無氧銅是非常純凈的材料,本身放射性極低,同時對伽瑪射線有很強的屏蔽能力。我們最核心的零下負100度的液氙探測器,放置在一個不銹鋼容器中,如果它直接和空氣接觸,會有巨大漏熱,而且表面上會結冰。為了隔絕和空氣的熱傳導,探測器容器放置在一個無氧銅做成的真空罩里(照片最內層的圓柱體),無氧銅既是伽瑪射線的屏蔽體,也是真空絕熱層。

  這張照片是我們建設首期的PandaX-I的探測器,一個扁平狀的圓柱體,高度約是15公分,直徑是60公分。解剖開來,在探測器的頂端和低端分別有兩個光電探測陣列來觀察液氙中產生的光子。我們花了五年時間直到2014年才把探測器建成。

  錦屏第一代PandaX一期的探測器得到了哪些研究成果呢?首先,我們沒有并沒有看到暗物質。很多人會問,沒有看到暗物質是不是說明實驗是零結果,或者是屬于失敗的實驗?這個理解是不對的。打一個比方,當你用望遠鏡看一個遙遠的區域,在區域中間相機曝光很長時間之后,沒有看到星星,并不能說黑色區域沒有星星,只能說根據這么長時間的曝光量,即使那邊有星星,這些星星的亮度一定低于某一個值。這里也是一樣,PandaX一期的實驗沒有看到暗物質信號,不能說明沒有暗物質,但可以對暗物質和普通物質碰撞的機率、或者相互作用的強度設一個上限。上限指的是它不可能高于某一個值,高于這個值就應該能看見。

  這張圖體現出的就是這樣一個實驗結果。縱軸就是相互作用強度,橫軸是暗物質的質量,紅顏色以上的區域被排除。紅顏色以上的區域中有很多圈,這些圈是什么呢?在十年前,國際上有很多實驗,在圈圈的區域發現了一些暗物質疑似的信號,當時眾說紛紜,不知是不是真實的暗物質信號。PandaX一期的實驗做出的結果,就把這些疑似信號全部排除。

  雖然這張圖上也有其他實驗得到的排除線,能夠把疑似信號全部排除也是很重要的科學貢獻。我們的結果出來之后,國際上非常著名的《科學》雜志以“中國團隊迎頭趕上為題”為我們專門寫了一篇報道。

  我們在國際上產生更加重要影響力的是第二代PandaX-II二期實驗。在首期實驗結束之后,我們很快進入到升級工作。2015年開始,我們從120公斤升級到580公斤,和美國、意大利的實驗進行競爭。安裝探測器必須在非常潔凈的環境下,我們穿的潔凈服并不擔心有病毒或者其他什么,而是人身上的汗液或者其他的東西,如果污染了探測器表面以后,都會對本底產生非常大的影響。學生都很喜歡安裝探測器,設計完以后花幾個月時間拼裝起來很有成就感。在2015年的年初,我們很快把探測器從120公斤升級到580公斤的體量。

  一波三折的暗物質探測實驗

  作為一個真正實驗物理學家開始,你會發現其實很多事情是事與愿違的。2015年全年,我們對安裝好的探測器開始了非常漫長的調試。我們在研究的過程中,幾乎所有時間都用來解決實際的問題。就像破案一樣,發現一個問題,解決一個問題,再發現一個新問題,再解決一個新問題,每天都是這樣。有時候覺得有趣,有時候覺得非常有挫折感,因為問題好像總是解決不完。具體今天我舉例只能說滄海一粟,其實的困難更多。

  終于在2015年底,我們的實驗準備完成,非常興奮地開始把探測器里灌裝液氙,等待到可以運行探測器也是很漫長的過程。可是我們穩定運行十幾天以后,開始采集數據,突然發現有新的本底噪音,不像前面發現的問題都是技術上的問題,這是個物理本底!有一種雜質跑到探測器里,這種雜質是一種稀有的放射性氣體叫做氪。氦氖氬氪氙,氪比氙要高一代。我剛才說過,氙本身是穩定的,那氪也應該是穩定的,空氣中間約有百萬分之一的氪氣。可是很有意思的是,在人類進入核時代以后,核武器、當然和平應用的核電站等裂變中會產生一些放射性的元素,比如說氪85,也被釋放到空氣中。當然這些氪85是極其微量的,它占天然氪的大約千億分之一!氪85不穩定,半衰期大概是十年。可是即使這么微量的氪,如果少量的泄漏到探測器中,也會產生非常討厭的本底信號。

  我們來看一下上圖,這張圖就是19天以后在探測器看到實際的事例分布圖。這張圖的縱軸是事件發生在探測器中有多深,橫軸是事例在探測器中間分布X平方加Y平方(半徑的平方)。我們說過,液氙探測器本身是非常好的自屏蔽體,內層的氙會被外層的保護住,所以中間這個區域應該是很干凈。但假如碰撞事件均勻分布,那所有的事例的點,在這張圖上就應該是很均勻的。我們在19天后看到的這些均勻分布的本底,原因是少量的氪85漏到了液氙中間,像小魚一樣非常快樂在氙中游泳,所以很快就分布均勻了。這些事例不像從外面向里面打的伽瑪射線,可以被外層的氙擋住。這是一種更加頭疼的本底。

  大家高中的時候都學過化學,我高中學化學不好,但是我記得非常深刻,酒精和水在一起是可以分離的。工業稱這個為空分,專業的說法叫做精餾,就是對不同沸點的液體進行分離。我們要想把微量的氪從氙中間提取出來,最后必須依賴這種物理手段。但是我們要求的精度要比空分廠高得多,對氪氣的要求要降到氙氣的十億分之一,比剛才說的百萬分之一低了六個數量級,因此這個裝置必須要自己研制。

  為了做這個分離,我們在交大研制了專門的空分裝置,把氙氣全部從錦屏運回上海,在上海精餾之后又運回錦屏。折騰到2016年的3月到6月,才開始進行穩定的暗物質曝光。天文學望遠鏡的曝光就是盯著一個地方,一動不動看很長的時間。暗物質的曝光也是這樣,探測器非常穩定的運行,等待暗物質的信號。

  2016年,我們曝光80天以后,把“膠片”拿出來,長的就是這個樣子。這張圖每個點都是我們看到最后篩選出來的碰撞事例,縱軸是我們測量到的電子和光子的比例,橫軸基本上就測量到的反沖能量。它的分布如果仔細看,好像是在中間的分布更密一些,兩邊的分布更疏。你要從這張圖里尋找暗物質的存在。

  我先講中間密兩邊疏的道理。把所有事件的分布畫成能量分布圖,你就會發現中間多出來一個峰。經過研究,我們發現它是來自于另一種雜質,這種雜質不再是氪,而是來自于氙的一種放射性同位素叫氙127!你可能會問,氙不是穩定的嗎?氙127在常態的氙中間不會有,可是當氙氣受到宇宙射線的輻照以后,會產生氙127放射性雜質,大概有35天的半衰期。

  那氙127哪里來的?原來我們把氙從錦屏運回上海、回來的路途中,因為過程都是在地表,所以在路上、在精餾的過程中氙氣受到宇宙射線的輻射被活化了,產生了少量的氙127的原子。好在氙127等待35天就可以衰變掉,不像前面的氪85,十年的半衰期,你不可能等十年、二十年以后再做實驗。所以我們等了一陣以后,就可以利用數據來進行暗物質搜尋了。還好這個問題不致命,我們也買了個非常好的教訓。

  另外一個問題,我剛才說怎樣從這些事例中,尋找哪些是真正的暗物質,哪些是假的信號?這時候我們就開展一個所謂的刻度研究。什么是刻度?刻度就是拿到一些已知性質的粒子打到探測器里,研究事件的分布是怎樣。

  伽瑪射線本底打到探測器會把電子踢出去;而我們的暗物質打到探測器中間的話,它會把原子核踢出去。被踢出去的電子和被踢出去的原子核,能夠電離電子的能力是不一樣的。由于我們同時能夠測到電子信號和光子信號,那兩種事例的電子和光子的信號比值也是不一樣的。

  可是我們怎么刻度暗物質的信號呢?有一種方法,用中子去輻照暗物質探測器。由于中子和原子核有很強的相互作用,也會把一些氙原子核踢出去,碰撞事例暗物質踢出去氙核的特征非常相像。

  上圖就顯示我們用兩種不同的刻度方式。上面黑顏色的點,是我們將探測器中注入的微量的氚把電子踢出去的信號。氚是氫的一種同位素,普通氫元素是一個質子,沒有中子。氫還有一種同位素叫氘,就是把氫原子中間的質子再加上一個中子。再加一個中子,一個質子兩個中子的原子核就叫做氚了。氚是不穩定的同位素,會產生貝塔衰變,中間的中子會轉化成質子,放出低能的電子。低能的電子分布在探測器里,就非常類似于我們的實際的伽馬本底信號了。另外一些紅點,就是中子打出核反沖信號,和暗物質信號長得一樣。你可以看到上下兩種顏色之間有很大的區分度,如果我在紅顏色的點中央畫出一個紅線,在紅線以下如果有疑似事例的出現,就有可能是暗物質產生的真正信號。

  回到剛才的圖。這張圖紅線以下的區域,就是搜尋暗物質信號的區域。我們發現有一個數據點!能不能說我發現了暗物質呢?不能的。嚴格來說你要問,正常的本底信號有多大的可能性也會落到紅線以下。然后要看是否漏下來的點超出我們對本底的預期。

  通過計算,我們預期的本底泄漏是2.5個,比實際測量到的1個事例還要更高(當然這是正常的漲落)。因此我們等待了80天后的曝光,并沒有看到暗物質。正如我前面所說的,這個結果可以轉化成這張圖上紅顏色的曲線,這條線以上的區域就被排除。這也是2016年國際上對暗物質和普通物質相互作用最強的限制。我們第一次能夠走到國際的最前沿,掃描了之前別的實驗從未看過的區域,把很大的參數空間排除掉。我們的結果在物理學頂級雜志《物理學評論快報》上發表,他們把我們實驗的照片作為當期的封面。

  再講一個有點諷刺意味的小故事。上文說了,為了刻度本底,我們把探測器中注入了微量的氚。原本我們希望把探測器刻度完以后,因為氚是活性的,不是惰性氣體,原則上可以通過熱化學方式很好去除。上圖體現的就是這個過程,紅顏色的點都是由于氚注入以后產生的事例率,我們盡了很大努力,但不幸的是最終我們只能達到原來探測器本底水平的十倍左右。氚跟我剛才講氪85非常像,去除不掉便會在探測器像小魚一樣的游,產生均勻分布的本底。氚就是我們探測器中間的“冠狀病毒”,非常棘手。

  終于,在熱化學提純的方法失效后,我們在2017年年初決定做第二次對探測器的精餾。吸取了上一輪的教訓,我們把精餾裝置直接移到地下實驗室,沒有從上海和錦屏之間運輸,避免探測器遭受宇宙射線的輻照。精餾的過程跨過春節,大年初一,同學們還在實驗室里煮餃子。我們經過這段艱苦的歷程,把討厭的氚本底降低一百倍,同時把探測器中間氪氣的本底進一步降低,這是非常重要的成功。

  在這之后,我們在2017年又采集了一次將近80天的數據。這張圖在紅色的數據點之后,藍色的框里面的便是2017年精餾完后我們再采集的數據。可以看到,事例率不僅遠遠低于注入氚以后的本底率,也比2016年暗物質數據的本底還低。

  我們的數據選擇的過程,可以給你一個數量級的感受。每天我們探測器中所有能夠被記錄下來的事例大約35萬個。而每天通過各種篩選條件被挑選出來的事例大約僅僅有兩個,就是剛才藍框中的事例。每天兩個本底和最終一年要找到少于一個事例之間還是有很大的差距,這個本底的壓低就要靠我們剛才刻度得到的那條紅線來完成,只有核反沖事例才是暗物質候選者。2017年新的數據,在能量看是這樣的,還有一點來自于氙127,但是已經衰變得很低。低能區域三角形的分布來自于一些微量的未被完全去除的氚。我們的本底比2016年降了2.5倍!

  這張圖是2017年數據兩維的分布,大多數點分布在比較高的區域,我們要在紅顏色的線以下找暗物質,非常遺憾我們一個沒有發現。也就是說,我們每天記錄35萬個事例,分析以后每天篩選出兩個事例進行最后的分析,最后在紅顏色這條線以下,80天沒有看到一個事例!但這也正體現了我們實驗的靈敏度。

  這張圖是我們2017年最終的結果,超越2016年結果限制三倍,也超越當時國際上最大規模的歐洲XENON1T探測器的結果。這張圖上的紅色以上的區域就是實驗所排除的所有區域,是國際上最強的。

  大家有看過生活大爆炸的話,里面有一個非常聰明的男主角,中文翻譯叫做謝耳朵,其實他的原形,是1979年的諾貝爾獎獲得者叫做格拉肖,他是粒子物理標準模型的奠基人之一。我們的成果很有幸得到了“謝耳朵”的高度評價,說“中國在世界最深的實驗室里建設PandaX,已經進入世界暗物質探測的國際競賽,而且取得國際上最強對暗物質的限制。”

  你可能要問從2017年到今天到底發生了什么呢?PandaX二期繼續采集數據,在此之后一共積累大概四百多天的數據,其中有一些是暗物質的曝光,有一些是刻度研究,有一些是我們對探測器技術的專題研究。在去年的七月份,我們正式把探測器退役。

  這四百多天數據中暗物質曝光的數據,我們在實驗中間采取所謂“盲分析”的方法。什么意思呢?為了避免分析數據的主觀性(這個事例我喜歡,這個事例我不喜歡),只有當把所有的選擇條件都確定好,在分析的最后一步,再看曝光出來的數據。本來我們計劃是上個周末把黑盒子打開的,由于一些原因發現分析還未成熟,所以大家還要再等一等。近期我們將公布PandaX二期最后曝光的數據,大家可以拭目以待。

  我們也在進行更大規模的實驗規劃,希望對暗物質進行更加靈敏地探測。我們國家對這方面的研究也非常支持。剛才我講的PandaX一期和二期的實驗,都是在比較狹小的錦屏一期實驗室里進行的。從2015年開始,錦屏實驗室開始擴容。未來的PandaX實驗會在新的地方,錦屏二期實驗室的B2大廳內,有更大的實驗空間。錦屏實驗室二期的建設也被國家發改委正式在“十三五”立項。

  間接探測暗物質

  暗物質間接探測也有重要的科學意義。銀河系中心有一些暗物質和暗物質粒子碰撞以后,互相湮滅以后產生高能的粒子如果被探測器看到,也可以間接的說明暗物質的存在。我國2015年12月份在西昌升空發射的“悟空號”衛星,就是為了做這樣的探測,由我國紫金山天文臺的常進院士領銜。

  這個探測器有非常高的能量覆蓋范圍,很多性能方面國際領先。2017年,悟空衛星發表了很重要的結果,在來自宇宙的高能電子分布上,在質子質量1400倍左右,發現了一些有趣的結構。這些結構到底來自什么,現在我們并不是特別清楚,但是很多理論學家認為是來自銀河系暗物質湮滅的信號。

  這能夠說明什么問題呢?很多理論學家們,包括我的一些好朋友,都做了深入的研究。他們的預期是,如果用暗物質來合理的解釋悟空號的結果,則意味著暗物質和普通物質的相互作用的強度比目前實驗的靈敏度低十倍。換句話說,再提高十倍靈敏度我們就有可能看到暗物質和普通物質碰撞的信號了!這對于我們來說是非常激動人心的預言。我國間接探測的實驗,如果有朝一日能夠和直接探測實驗相互印證,豈不是絕妙!

  另外,一個近期的進展來自于我們的國際競爭對手。意大利的XENON1T實驗2018年一年曝光量的靈敏度已經超過PandaX-II。

  這張圖顯示XENON1T實驗中事件分布。非常有意思的是,這張圖比較靠下的位置,好像看到微弱的超出。微弱的超出可能是來自統計漲落,當然也可能來自于暗物質真實的信號,現在并不能很好的判斷。可是如果我們假定超出確實是來自暗物質和氙原子核碰撞的信號的話,如果能夠建設比PandaX-II靈敏10倍的探測器,運行兩年將有可能發現9-10個事例!

  因此我們實驗下一步計劃就是把PandaX-II的探測器本底進一步降低,體量升級7-8倍,建設一個4噸級的探測器。當然形狀和整體的探測原理非常相似,技術上做了很多改進。

  預期這樣的探測器能夠達到什么樣的性能呢?上圖顯示的是模擬計算的預期,黑色的點是環境中已知的本底信號。如果我們把暗物質信號摻進去,除了黑點以外,在圖的左下方出現一系列紅色的點。假如暗物質信號剛好躲在目前探測器靈敏度這條線下面一點,在實驗一年后,就有可能出現這張圖的情況,就是在本底之上,看到一些非常顯著的超出,也就意味著暗物質被找到了!

  在這個目的的驅使下,我們實驗團隊一直在緊鑼密鼓的開展工作, 我們期望在一系列的努力之下,能夠很快把目前探測的靈敏度繼續降一個數量級。

  上圖除了現在已知的排除線以外,這些形狀有點奇怪的圈并不是疑似事例,而是理論家朋友告訴我們暗物質有可能存在的區間。有一些區域已經被排除,可是下面還有非常大的區間還沒有被人類所掃描。所以我們希望有一天,中國的科學家能夠在這些區域看到暗物質的信號,為人類的科學進步做出中國人不可或缺的貢獻。

  當然我說的都是科學計劃的“希望值”,但是真實的情況可能不是這樣,科學的發現經常并不遵守原來的計劃。可以用近期幾個在地下做中微子實驗重要的科學成果來舉例子。2002年諾貝爾物理獎授予兩個物理學家,一個叫小柴昌俊,另外一個叫雷蒙德·戴維斯。小柴昌俊原本實驗設計的目標是研究質子的衰變,可是他的實驗剛剛運行一年不到,他就發現來自超新星爆發的中微子。戴維斯也是這樣,當時的目標是想找太陽中微子,但是他更大的貢獻是看見太陽中微子比預期的中微子少了三倍!

  2015年諾貝爾獎又繼續授予了深地中微子探測的科學家,小柴昌俊的學生梶田隆章,想繼續從事他導師質子衰變研究,中間有一種重要的本底是來自大氣的中微子,可是他發現大氣中微子的振蕩的現象,也就是一定入射角度的中微子有強烈的消失。另外一個加拿大科學家叫麥克唐納,他的目標也是通過加拿大極深地下的實驗室的實驗理解戴維斯看到的太陽中微子的消失之謎,最后發現太陽中微子并沒有消失,而是產生了振蕩,從一種中微子變成另外一種中微子。這幾個發現的共同點都是原本是想找到一個物理目標,卻導致了預期之外的、更加激動人心的發現。

  因此,即便我們在極深的地下開展前沿的實驗,沒有找到期望的信號,但是意想不到的發現豈不是更讓人激動!

  注:本文根據劉江來教授在未來論壇演講整理而來,有刪減,圖片由作者提供。

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