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4吨 “熊猫” 归来,围捕暗物质再下一城|专访刘江来

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实验发言人刘江来表示,升级后PandaX-4T(“熊猫4吨”)最新实验结果,缩小了暗物质粒子可能存在的范围。
 
这一实验的结果具体如何?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
 
2021年7月8日下午4时,上海交通大学教授、PandaX实验发言人刘江来在马塞尔·格罗斯曼(Marcel Grossmann)国际广义相对论大会上公布了PandaX-4T(“熊猫4吨”)的首个实验结果,虽然依然没有探测到暗物质,但再次缩小了其可能存在的范围。
 
在所有的宇宙物质中,看不见的暗物质占到了约85%,是我们熟知的所有普通物质(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,人们对它的了解还相当有限,比如连暗物质粒子的质量是多少都不清楚。
 
PandaX实验位于四川凉山州、2400米下的中国锦屏地下实验室,采用液态氙作为暗物质靶和探测器。按照实验的设想,暗物质粒子碰撞到氙原子核后反冲,将在探测器中发光或产生其他氙原子的电离,进而可以被探测器中灵敏的光电器件记录下来。
 
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心以近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。实际计算出来,每秒钟大概有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稀少,大约一年一次。可以想见,直接探测暗物质是多么困难的一件事。
 
在过去的10余年中,PandaX合作组已经完成了两代暗物质实验。为了提升探测的灵敏度,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二期实验曾取得当时对暗物质粒子的最强限制,成果入选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探测器中共有5.6吨的高纯氙气,其中灵敏区域达到了3.7吨。除了氙的规模增大,影响探测的另一关键因素,实验的本底也得到了大幅降低,减少了对观测信号的噪声干扰。本底也称为 “背景辐射”,其来源多样,比如有天然放射性物质(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。
 
负责中心探测器研制和数据分析的上海交通大学周宁副教授表示,通过多项低本底技术的改进,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,本来预期2023年完工。但面对激烈的国际竞争,为了加快实验进度,PandaX团队在锦屏二期实验室B2实验厅中提前建设了临时配套设施和900吨的超纯水屏蔽装置。
 
2019年8月,实验组提前进驻后,克服了诸多技术挑战和新冠疫情造成的影响,于2020年5月底完成探测器安装;11月28日,探测器调试完成后进入试运行,今年4月15日结束运行,进入数据分析。
 
在总共95天的运行中,PandaX-4T探测器记录了约13.7亿次的事件,其中仅有1058个事例通过筛选进入了最终的暗物质分析数据集。这些事例中有6个事例落在了信号区域内,通过分析,和本底预期吻合,未出现暗物质事例超出的迹象,也就是没有发现暗物质。
 
目前,国际上在建的多吨级液氙实验,还有位于意大利Gran Sasso实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验。这次是PandaX在激烈的国际竞争中取得再次领先。《知识分子》第一时间邀请到PandaX实验发言人刘江来,请他聊聊这次的4吨实验以及暗物质探测的未来前景。
PandaX-4T(“熊猫4吨”)实验部分成员合影 | 图由PandaX实验组提供
 
刷新暗物质粒子存在范围
 
《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公布此次的探测结果?
 
刘江来:倒也不是刻意选择在这个会上公布。三个月前我收到了大会的邀请,让我做一个大会邀请报告,那个时候我们刚刚终止这一个阶段的运行。我们大概估计了一下,觉得这几个月应该可以把结果相对完整地展现出来。
 
这个会虽然名为广义相对论大会,但其实已经包含天文、宇宙学、粒子等方向,研究宇宙中最深层次问题,这次有1000多人参加,我觉得也挺适合公布我们这个结果。
 
《知识分子》:数据分析的过程还顺利么?
 
刘江来:总体是比较顺利的,我们也在很短的时间内啃下了几个硬骨头。因为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,基本上都要从零开始做。尤其是第一步,在很低阶的分析中间,怎样把疑似信号的数据选出来,不把事例漏掉,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。后面的分析基本是按照我们以前发展的方法做的,对本底分析上有一些手段的革新和优化,整个分析应该算顺利。
7月8日发布的 “熊猫4吨” 实验的首个暗物质搜寻结果 | 图由PandaX实验组提供
 
《知识分子》:这张表示结果的图,透露了哪些信息?
 
刘江来:这次实验刷新了暗物质性质的边界,这里的性质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)来表示。如果找到了暗物质信号,就是确实测量到截面了;如果没有找到,截面就有一个边界值(上限),意味着它以下的参数空间还是可能的,以上的参数空间就排除掉了。
 
这张图的最下方的红线就是我们以90%的置信度给出的边界值,换句话说暗物质和核子相互碰撞的截面,大概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。我们目前的结果和他们相比,排除边界强了约30%。
 
比较宽的绿条带体现的是探测器的灵敏度带,意思是假设真实信号为零,预期误差涨落下探测器得出的边界值上下浮动的范围。我们这个实验最终的排除线在绿带内,显示出并未发现有显著的暗物质超出的迹象,简单说就是还没有发现暗物质。
 
一般而言,如果排除线显著的高于这条绿带,就说明是看见了一些暗物质的迹象了。希格斯粒子发现的时候也是类似,最开始实验结果由于灵敏度受限,排除线和灵敏度带是吻合的;后来逐渐排除曲线超出灵敏度带了,也就是说看到了疑似超出了。到了一定时候,超出如果很多的话,就不画这条排除曲线了,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》:这次探测稳定取数了95天,之后为什么不继续了?
 
刘江来:在取数的过程中,有一个意料之外的本底逐渐显现出来。这个本底可能是由于在前一代探测器中,我们当时做刻度实验时注入的,没有完全被去除干净,又进入我们4吨的探测器里,并且我们发现不能有效地在线去除这个本底。自4月起,我们中止了运行,正在尝试做一次离线去除——就是把探测器里面的氙全部取出来,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》:其实这次氚也是痕量,但到底少到什么程度?
 
刘江来:根据我们的数据计算,氚和氙的摩尔比约是0.5×10-23;在100克氙中间,小于一个氚原子这样的浓度,所以是极其极其微量的。
 
《知识分子》:必须把氚分离出来?
 
刘江来:目前由于氚的本底过多,是暗物质分析最重要的一个本底,如果不把它降低的话,灵敏度就比较难提升了。
 
《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:我们采用的是所谓的 “似然法” 分析。每一个事例就像有 “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,有可能是暗物质,但是相似性各有不同。因此我们并不能绝对的判断每个事件谁是谁,事件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:好消息是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。所以相比较而言,氚是更严重的问题。暗物质事例预期处于低能区,和氚的本底的能区符合,而氡事例的分布的能区比较均匀,因此氚本底对于暗物质的影响比氡要大不少。因此我们决定先停机,把氚问题先解决了再说。
 
《知识分子》:在正式开始取数之前,也都有本底的测试,当时氚没测出来?
 
刘江来:最大的难度还是因为氚的量实在太低。对于以往我们碰到的氪和氡这些惰性气体本底,原则上还是可以通过独立的方法把它们测出来;目前我们的氚的浓度是每100克氙中少于一个氚原子,已经超出所有的独立测量的灵敏度。唯一能够数出到底有多少氚的方法,就是等到探测器稳定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多少氚,就得开始去运行。你能做的就是用尽你认为可以去除氚的手段(比如低温精馏),然后赌一把。
 
《知识分子》:未来在本底方面的目标是?
 
刘江来:氚我们希望能够降一个数量级,计划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,实验的终点在哪里?
 
刘江来:现在我们不知道暗物质在哪里。找到哪里为止呢?一般而言,大家的 “既定目标” 在所谓的中微子地板,也就是探测器灵敏到可以看到大气中微子的本底。根据计算,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,最终你需要观察到中微子本底,所以对其他放射性的本底的控制就要和中微子本底看齐。粗略的讲,我们对本底控制的目标就是其他的本底加在一起和中微子本底是1:1。
 
《知识分子》:如果触达到中微子地板会发生什么?
 
刘江来:最明显的后果就是这个探测器可以开始做中微子物理了,这将打开一个全新的研究方向。
 
现在中微子两大研究方向,一是研究中微子的基本性质,比如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,是利用中微子作为剧烈天体现象的信使,也被称为 “中微子天文学”。届时我们的探测器变成了中微子天文和引力波、电磁波等结合的多信使天文,现在是一个方兴未艾的交叉领域,大有可为。
 
《知识分子》:如果说触达中微子地板了,那暗物质还存在吗?
 
刘江来:可能存在,但是截面或者是作用太微弱,探测器不够灵敏了。当然,我们现在也在想别的办法,液氙探测器如何能够突破中微子地板;如果没有更好的办法,那么暗物质直接测量这条路恐怕触及到中微子地板就不能推进了。但是对这些中微子的精确测量将会打开一个全新的天窗。
 
《知识分子》:现在还没有办法把中微子的本底去掉?
 
刘江来:目前没有找到办法。有人说用方向性的手段,因为中微子大多是各项同性的,但暗物质的方向和太阳绕着银河系的旋转方向相关。但是一个大体量的探测器,非常难分辨出低能散射的方向。
 
据我了解,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,依然把方向给测出来。
熊猫4吨实验探测器13米高的巨型圆柱形超纯水屏蔽体钢罐 | 摄影:邸利会
 
迈向30吨
 
《知识分子》:如果探测器开始重新取数,接下来的计划是什么?
 
刘江来:继续做好4吨的实验和物理研究。此外我们也在筹划下一代更加灵敏、更加大规模的实验。等到下一代探测器建设完成以后,我们就会停止4吨的实验,然后进行升级工作。
 
《知识分子》:计划的是30吨的氙探测器?
 
刘江来:对。2016年,我和季向东老师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多少。
 
《知识分子》:下一代的探测实验,还有哪些挑战?
 
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灵敏度提升。当然要做的工作细节还很多。越大的探测器,如何读出那么多的信号,如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峻挑战;越大的探测器,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,下一个阶段又会碰到新的更难的问题。
 
《知识分子》:多吨级液氙实验,目前还有意大利 Gran Sasso 实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验,请简单评述一下现在进展的情况?
 
刘江来:我知道他们的进度和我们很接近,要么是在准备实验,要么就已经开始试运行了。我所知道的都是公开信息,根据他们的官方的时间表,应该在近期会有新的结果出来。意大利的实验是6吨,美国是7吨,都要比我们目前的4吨的体量大。
 
《知识分子》:暗物质这个领域,理论方面好像不是特别有力?不像广义相对论一出来,理论上明确指了个目标,天文学家去验证就可以了。
 
刘江来:七八十年代你如果问这个问题的话,大家一定都会不约而同地说,理论家已经给方向了,那就是超对称。但今天因为没有找到暗物质,大家对超对称的信心也已经动摇了。在过去的几十年,应该说超对称被研究的非常多。它预言的暗物质有很大的区域,如果找不到暗物质,超对称调整下参数空间或许还能活,但大家渐渐信心动摇了。
 
对于科学发现,公众还是比较习惯于 “爱因斯坦模式”,预言完了,一看水星进动,马上就验证了理论。但说实话,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。很多粒子物理的发现,其实一开始也是有很大的可能区间;找到新粒子后,就打开了一个窗口,新的理论就出现了,或者已有理论的参数便确定了,历史上也比比皆是。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例外,而其他科学发现的模式更加普遍。
 
《知识分子》:暗物质探测非常热,除了地面的方式,天空中也有,比如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:空间观测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,精确的研究微波背景辐射、大尺度星系结构等等,能够得到暗物质和普通物质相互作用的一些信息,但是是间接的。好处是这些空间项目不需要等待暗物质来碰撞探测器,有大量的观测样本来研究。
 
我最希望的还是科学家能够在实验室里,研究暗物质和普通物质的微观相互作用具体是怎么样的,就像我们在地下实验室做的事。
参考资料
 
1. 最新:PandaX-4T实验发布首个暗物质搜寻结果,https://news.sjtu.edu.cn/jdyw/20210708/155013.html



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