4噸 “熊貓” 歸來，圍捕暗物質(zhì)再下一城｜專訪劉江來
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2021年7月8日下午4時，上海交通大學(xué)教授、PandaX實(shí)驗(yàn)發(fā)言人劉江來在馬塞爾·格羅斯曼（Marcel Grossmann）國際廣義相對論大會上公布了PandaX-4T（“熊貓4噸”）的首個實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然依然沒有探測到暗物質(zhì)，但再次縮小了其可能存在的范圍。
在所有的宇宙物質(zhì)中，看不見的暗物質(zhì)占到了約85%，是我們熟知的所有普通物質(zhì)（如質(zhì)子、中子、電子等）的5倍多，主宰了星系和星系團(tuán)形成。但迄今為止，人們對它的了解還相當(dāng)有限，比如連暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量是多少都不清楚。
PandaX實(shí)驗(yàn)位于四川涼山州、2400米下的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，采用液態(tài)氙作為暗物質(zhì)靶和探測器。按照實(shí)驗(yàn)的設(shè)想，暗物質(zhì)粒子碰撞到氙原子核后反沖，將在探測器中發(fā)光或產(chǎn)生其他氙原子的電離，進(jìn)而可以被探測器中靈敏的光電器件記錄下來。
在我們今天的科學(xué)認(rèn)知下，銀河系被暗物質(zhì)暈所包裹，就像是籠罩在一大片 “霧霾” 當(dāng)中。當(dāng)太陽繞著銀河系中心以近1/1500的光速高速旋轉(zhuǎn)時，也帶著地球和這片 “霧霾” 發(fā)生著高速的相對運(yùn)動。實(shí)際計(jì)算出來，每秒鐘大概有10億個暗物質(zhì)粒子撞擊著我們的身體，但大多都 “穿身而過” ——暗物質(zhì)和我們身體中的原子發(fā)生碰撞的次數(shù)卻十分稀少，大約一年一次?？梢韵胍姡苯犹綔y暗物質(zhì)是多么困難的一件事。
在過去的10余年中，PandaX合作組已經(jīng)完成了兩代暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。為了提升探測的靈敏度，液氙的規(guī)模從第一期的120公斤，提升到二期的580公斤（其中PandaX二期實(shí)驗(yàn)曾取得當(dāng)時對暗物質(zhì)粒子的最強(qiáng)限制，成果入選2017年美國物理學(xué)會亮點(diǎn)）。2019年起，PandaX升級建設(shè)新一代的4噸級實(shí)驗(yàn)。
本次的PandaX-4T探測器中共有5.6噸的高純氙氣，其中靈敏區(qū)域達(dá)到了3.7噸。除了氙的規(guī)模增大，影響探測的另一關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)的本底也得到了大幅降低，減少了對觀測信號的噪聲干擾。本底也稱為 “背景輻射”，其來源多樣，比如有天然放射性物質(zhì)（如氡和鐳）造成的環(huán)境輻射、宇宙線輻射，以及核試驗(yàn)或核事故的余塵。
負(fù)責(zé)中心探測器研制和數(shù)據(jù)分析的上海交通大學(xué)周寧副教授表示，通過多項(xiàng)低本底技術(shù)的改進(jìn)，在同樣的曝光量下，PandaX-4T的本底比上一代的PandaX-II降低了4倍。
作為國家發(fā)改委 “十三五” 重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，PandaX-4T所在的錦屏二期實(shí)驗(yàn)室，本來預(yù)期2023年完工。但面對激烈的國際競爭，為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，PandaX團(tuán)隊(duì)在錦屏二期實(shí)驗(yàn)室B2實(shí)驗(yàn)廳中提前建設(shè)了臨時配套設(shè)施和900噸的超純水屏蔽裝置。
2019年8月，實(shí)驗(yàn)組提前進(jìn)駐后，克服了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)和新冠疫情造成的影響，于2020年5月底完成探測器安裝；11月28日，探測器調(diào)試完成后進(jìn)入試運(yùn)行，今年4月15日結(jié)束運(yùn)行，進(jìn)入數(shù)據(jù)分析。
在總共95天的運(yùn)行中，PandaX-4T探測器記錄了約13.7億次的事件，其中僅有1058個事例通過篩選進(jìn)入了最終的暗物質(zhì)分析數(shù)據(jù)集。這些事例中有6個事例落在了信號區(qū)域內(nèi)，通過分析，和本底預(yù)期吻合，未出現(xiàn)暗物質(zhì)事例超出的跡象，也就是沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。
目前，國際上在建的多噸級液氙實(shí)驗(yàn)，還有位于意大利Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室的XENONnT和美國Sanford實(shí)驗(yàn)室的LZ實(shí)驗(yàn)。這次是PandaX在激烈的國際競爭中取得再次領(lǐng)先?！吨R分子》第一時間邀請到PandaX實(shí)驗(yàn)發(fā)言人劉江來，請他聊聊這次的4噸實(shí)驗(yàn)以及暗物質(zhì)探測的未來前景。
《知識分子》：為什么選擇在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義相對論大會上公布此次的探測結(jié)果？
劉江來：倒也不是刻意選擇在這個會上公布。三個月前我收到了大會的邀請，讓我做一個大會邀請報告，那個時候我們剛剛終止這一個階段的運(yùn)行。我們大概估計(jì)了一下，覺得這幾個月應(yīng)該可以把結(jié)果相對完整地展現(xiàn)出來。
這個會雖然名為廣義相對論大會，但其實(shí)已經(jīng)包含天文、宇宙學(xué)、粒子等方向，研究宇宙中最深層次問題，這次有1000多人參加，我覺得也挺適合公布我們這個結(jié)果。
《知識分子》：數(shù)據(jù)分析的過程還順利么？
劉江來：總體是比較順利的，我們也在很短的時間內(nèi)啃下了幾個硬骨頭。因?yàn)檫@是一個全新的實(shí)驗(yàn)，剛調(diào)試好的探測器，需要在暗物質(zhì)探測的能區(qū)篩選出物理數(shù)據(jù)，基本上都要從零開始做。尤其是第一步，在很低階的分析中間，怎樣把疑似信號的數(shù)據(jù)選出來，不把事例漏掉，同時又不讓太多的噪音混進(jìn)來。我們大致有三分之二的時間花在研究數(shù)據(jù)篩選條件上。后面的分析基本是按照我們以前發(fā)展的方法做的，對本底分析上有一些手段的革新和優(yōu)化，整個分析應(yīng)該算順利。
《知識分子》：這張表示結(jié)果的圖，透露了哪些信息？
劉江來：這次實(shí)驗(yàn)刷新了暗物質(zhì)性質(zhì)的邊界，這里的性質(zhì)指的是暗物質(zhì)和核子的相互作用，用散射截面（上圖的縱坐標(biāo)）來表示。如果找到了暗物質(zhì)信號，就是確實(shí)測量到截面了；如果沒有找到，截面就有一個邊界值（上限），意味著它以下的參數(shù)空間還是可能的，以上的參數(shù)空間就排除掉了。
這張圖的最下方的紅線就是我們以90%的置信度給出的邊界值，換句話說暗物質(zhì)和核子相互碰撞的截面，大概率應(yīng)該在這條紅線之下。
紅線上面的黑線，標(biāo)著2018年意大利XENON1T實(shí)驗(yàn)最終的一噸年曝光量給出的限制。我們目前的結(jié)果和他們相比，排除邊界強(qiáng)了約30%。
比較寬的綠條帶體現(xiàn)的是探測器的靈敏度帶，意思是假設(shè)真實(shí)信號為零，預(yù)期誤差漲落下探測器得出的邊界值上下浮動的范圍。我們這個實(shí)驗(yàn)最終的排除線在綠帶內(nèi)，顯示出并未發(fā)現(xiàn)有顯著的暗物質(zhì)超出的跡象，簡單說就是還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。
一般而言，如果排除線顯著的高于這條綠帶，就說明是看見了一些暗物質(zhì)的跡象了。希格斯粒子發(fā)現(xiàn)的時候也是類似，最開始實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于靈敏度受限，排除線和靈敏度帶是吻合的；后來逐漸排除曲線超出靈敏度帶了，也就是說看到了疑似超出了。到了一定時候，超出如果很多的話，就不畫這條排除曲線了，而是就畫真正發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)在哪的圈了。
《知識分子》：這次探測穩(wěn)定取數(shù)了95天，之后為什么不繼續(xù)了？
劉江來：在取數(shù)的過程中，有一個意料之外的本底逐漸顯現(xiàn)出來。這個本底可能是由于在前一代探測器中，我們當(dāng)時做刻度實(shí)驗(yàn)時注入的，沒有完全被去除干凈，又進(jìn)入我們4噸的探測器里，并且我們發(fā)現(xiàn)不能有效地在線去除這個本底。自4月起，我們中止了運(yùn)行，正在嘗試做一次離線去除——就是把探測器里面的氙全部取出來，通過低溫精餾的方式，將氚進(jìn)一步去除后再將氙重新冷卻灌注回去。
《知識分子》：其實(shí)這次氚也是痕量，但到底少到什么程度？
《知識分子》：必須把氚分離出來？
劉江來：目前由于氚的本底過多，是暗物質(zhì)分析最重要的一個本底，如果不把它降低的話，靈敏度就比較難提升了。
《知識分子》：怎么知道哪個事例是何種本底，哪個事例是暗物質(zhì)信號？
劉江來：我們采用的是所謂的 “似然法” 分析。每一個事例就像有 “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，有可能是暗物質(zhì)，但是相似性各有不同。因此我們并不能絕對的判斷每個事件誰是誰，事件的區(qū)分是統(tǒng)計(jì)意義上的。
《知識分子》：之前你們就一直在去除氡的本底，這次還存在？
劉江來：好消息是PandaX-4T里每公斤氙中氡的含量較我們上一代的PandaX-II降低了6倍。所以相比較而言，氚是更嚴(yán)重的問題。暗物質(zhì)事例預(yù)期處于低能區(qū)，和氚的本底的能區(qū)符合，而氡事例的分布的能區(qū)比較均勻，因此氚本底對于暗物質(zhì)的影響比氡要大不少。因此我們決定先停機(jī)，把氚問題先解決了再說。
《知識分子》：在正式開始取數(shù)之前，也都有本底的測試，當(dāng)時氚沒測出來？
劉江來：最大的難度還是因?yàn)殡暗牧繉?shí)在太低。對于以往我們碰到的氪和氡這些惰性氣體本底，原則上還是可以通過獨(dú)立的方法把它們測出來；目前我們的氚的濃度是每100克氙中少于一個氚原子，已經(jīng)超出所有的獨(dú)立測量的靈敏度。唯一能夠數(shù)出到底有多少氚的方法，就是等到探測器穩(wěn)定運(yùn)行后積累大量的統(tǒng)計(jì)量。這就成了個悖論——你并不知道探測器中有多少氚，就得開始去運(yùn)行。你能做的就是用盡你認(rèn)為可以去除氚的手段（比如低溫精餾），然后賭一把。
《知識分子》：未來在本底方面的目標(biāo)是？
劉江來：氚我們希望能夠降一個數(shù)量級，計(jì)劃把總體的本底降低至少兩倍以下。
《知識分子》：像這樣的氙探測實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的終點(diǎn)在哪里？
劉江來：現(xiàn)在我們不知道暗物質(zhì)在哪里。找到哪里為止呢？一般而言，大家的 “既定目標(biāo)” 在所謂的中微子地板，也就是探測器靈敏到可以看到大氣中微子的本底。根據(jù)計(jì)算，要到達(dá)那里，液氙探測器大致需要200噸的探測器運(yùn)行一年（30噸探測器運(yùn)行7年）的曝光量。
這還僅僅是體量的需求。另外的要求就是探測器本底，最終你需要觀察到中微子本底，所以對其他放射性的本底的控制就要和中微子本底看齊。粗略的講，我們對本底控制的目標(biāo)就是其他的本底加在一起和中微子本底是1:1。
《知識分子》：如果觸達(dá)到中微子地板會發(fā)生什么？
劉江來：最明顯的后果就是這個探測器可以開始做中微子物理了，這將打開一個全新的研究方向。
現(xiàn)在中微子兩大研究方向，一是研究中微子的基本性質(zhì)，比如像大亞灣和江門實(shí)驗(yàn)研究的中微子振蕩、質(zhì)量順序等。
另外一個研究的前沿，是利用中微子作為劇烈天體現(xiàn)象的信使，也被稱為 “中微子天文學(xué)”。屆時我們的探測器變成了中微子天文和引力波、電磁波等結(jié)合的多信使天文，現(xiàn)在是一個方興未艾的交叉領(lǐng)域，大有可為。
《知識分子》：如果說觸達(dá)中微子地板了，那暗物質(zhì)還存在嗎？
劉江來：可能存在，但是截面或者是作用太微弱，探測器不夠靈敏了。當(dāng)然，我們現(xiàn)在也在想別的辦法，液氙探測器如何能夠突破中微子地板；如果沒有更好的辦法，那么暗物質(zhì)直接測量這條路恐怕觸及到中微子地板就不能推進(jìn)了。但是對這些中微子的精確測量將會打開一個全新的天窗。
《知識分子》：現(xiàn)在還沒有辦法把中微子的本底去掉？
劉江來：目前沒有找到辦法。有人說用方向性的手段，因?yàn)橹形⒆哟蠖嗍歉黜?xiàng)同性的，但暗物質(zhì)的方向和太陽繞著銀河系的旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)。但是一個大體量的探測器，非常難分辨出低能散射的方向。
據(jù)我了解，國際上至今沒有一個可靠的方案，能夠在很微弱的碰撞截面下，依然把方向給測出來。
《知識分子》：如果探測器開始重新取數(shù)，接下來的計(jì)劃是什么？
劉江來：繼續(xù)做好4噸的實(shí)驗(yàn)和物理研究。此外我們也在籌劃下一代更加靈敏、更加大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。等到下一代探測器建設(shè)完成以后，我們就會停止4噸的實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行升級工作。
《知識分子》：計(jì)劃的是30噸的氙探測器？
劉江來：對。2016年，我和季向東老師寫了一篇暗物質(zhì)探測的綜述文章，上面就提到這個30噸的液氙探測器實(shí)驗(yàn)。在獲得支持之前，我們現(xiàn)在還不確定最終的體量是多少。
《知識分子》：下一代的探測實(shí)驗(yàn)，還有哪些挑戰(zhàn)？
劉江來：總體而言，探測器本底的降低和體量的擴(kuò)大會使總的靈敏度提升。當(dāng)然要做的工作細(xì)節(jié)還很多。越大的探測器，如何讀出那么多的信號，如何最小化時間漂移室電場的形變對探測器造成影響將是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；越大的探測器，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，我們一直在研發(fā)解決這些問題。但這類實(shí)驗(yàn)就是這樣的，每一個階段的問題解決了以后，下一個階段又會碰到新的更難的問題。
《知識分子》：多噸級液氙實(shí)驗(yàn)，目前還有意大利 Gran Sasso 實(shí)驗(yàn)室的XENONnT和美國Sanford實(shí)驗(yàn)室的LZ實(shí)驗(yàn)，請簡單評述一下現(xiàn)在進(jìn)展的情況？
劉江來：我知道他們的進(jìn)度和我們很接近，要么是在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，要么就已經(jīng)開始試運(yùn)行了。我所知道的都是公開信息，根據(jù)他們的官方的時間表，應(yīng)該在近期會有新的結(jié)果出來。意大利的實(shí)驗(yàn)是6噸，美國是7噸，都要比我們目前的4噸的體量大。
《知識分子》：暗物質(zhì)這個領(lǐng)域，理論方面好像不是特別有力？不像廣義相對論一出來，理論上明確指了個目標(biāo)，天文學(xué)家去驗(yàn)證就可以了。
劉江來：七八十年代你如果問這個問題的話，大家一定都會不約而同地說，理論家已經(jīng)給方向了，那就是超對稱。但今天因?yàn)闆]有找到暗物質(zhì)，大家對超對稱的信心也已經(jīng)動搖了。在過去的幾十年，應(yīng)該說超對稱被研究的非常多。它預(yù)言的暗物質(zhì)有很大的區(qū)域，如果找不到暗物質(zhì)，超對稱調(diào)整下參數(shù)空間或許還能活，但大家漸漸信心動搖了。
對于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，公眾還是比較習(xí)慣于 “愛因斯坦模式”，預(yù)言完了，一看水星進(jìn)動，馬上就驗(yàn)證了理論。但說實(shí)話，誰也不知道會怎樣?？茖W(xué)的發(fā)現(xiàn)，不能只類比愛因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對論。很多粒子物理的發(fā)現(xiàn)，其實(shí)一開始也是有很大的可能區(qū)間；找到新粒子后，就打開了一個窗口，新的理論就出現(xiàn)了，或者已有理論的參數(shù)便確定了，歷史上也比比皆是。這些實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)或許沒有愛因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對論那么偉大，或者說愛因斯坦廣義發(fā)現(xiàn)相對論的模式可能是一個例外，而其他科學(xué)發(fā)現(xiàn)的模式更加普遍。
《知識分子》：暗物質(zhì)探測非常熱，除了地面的方式，天空中也有，比如明年升空的歐洲的歐幾里德太空望遠(yuǎn)鏡等項(xiàng)目，怎么看這些空間的項(xiàng)目？
劉江來：空間觀測和地面的實(shí)驗(yàn)一定是互補(bǔ)的。宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)、銀河系等星系都是靠暗物質(zhì)的引力勢形成的，精確的研究微波背景輻射、大尺度星系結(jié)構(gòu)等等，能夠得到暗物質(zhì)和普通物質(zhì)相互作用的一些信息，但是是間接的。好處是這些空間項(xiàng)目不需要等待暗物質(zhì)來碰撞探測器，有大量的觀測樣本來研究。
我最希望的還是科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)室里，研究暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的微觀相互作用具體是怎么樣的，就像我們在地下實(shí)驗(yàn)室做的事。
參考資料
制版編輯 | 盧卡斯
