阅读：0
听报道
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
话题：
0
推荐
财新博客版权声明：财新博客所发布文章及图片之版权属博主本人及/或相关权利人所有，未经博主及/或相关权利人单独授权，任何网站、平面媒体不得予以转载。财新网对相关媒体的网站信息内容转载授权并不包括财新博客的文章及图片。博客文章均为作者个人观点，不代表财新网的立场和观点。
京公网安备 11010502034662号 