銀河系為什么能高速旋轉(zhuǎn)？宇宙幽靈暗物質(zhì)提供引力勢能
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探索宇宙的幽靈——中國科學(xué)家的初心
主講嘉賓：劉江來，未來論壇青創(chuàng)聯(lián)盟成員，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授
2019年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分別授予了兩個(gè)領(lǐng)域：一個(gè)是行星動(dòng)力學(xué)的領(lǐng)域，另外一個(gè)是給了宇宙學(xué)。宇宙學(xué)的獲獎(jiǎng)?wù)叩拿纸姓材匪埂てげ紶査?，他?0年代開始，對宇宙學(xué)做出了一系列開創(chuàng)性的工作，用一個(gè)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(xué)聯(lián)系在一起。
根據(jù)這個(gè)“物理宇宙學(xué)模型”，當(dāng)前占宇宙組分27%的看不見的暗物質(zhì)，是宇宙演化的必要因素，甚至可以說是推動(dòng)了宇宙的演化進(jìn)程。
銀河系為何能高速旋轉(zhuǎn)？
為了解釋銀河系的銀盤為何能夠如此高速旋轉(zhuǎn)，需要用一個(gè)巨大的暗物質(zhì)暈籠罩著銀河系，中間蘊(yùn)藏著的暗物質(zhì)就給銀河系中高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)都觀測出來的話，就能把暗物質(zhì)的分布推算出來。
我們今天知道，在太陽軌道附近暗物質(zhì)的密度，大約是1/3個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量每毫升！質(zhì)子的質(zhì)量是10的負(fù)27次方千克。暗物質(zhì)的密度比空氣密度要低21個(gè)數(shù)量級，1后面要跟21個(gè)零！
你可能會問，這么稀薄的暗物質(zhì)，比空氣低這么多數(shù)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(zhì)對小尺度肯定沒有影響，但是當(dāng)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(gè)樣子。
今天，我們真正想了解的并不是暗物質(zhì)在天文學(xué)、宇宙中的表象，我們更想理解暗物質(zhì)到底是什么？就像我們已知的所有東西，人也好、動(dòng)物也好，細(xì)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(zhì)子這些了。每一個(gè)電子長得一模一樣，雖然質(zhì)子并不是最基本的，質(zhì)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(zhì)畫“肖像”
同樣，暗物質(zhì)本質(zhì)的研究，就是要給一個(gè)最不可分割的暗物質(zhì)基本粒子來畫肖像，了解它的質(zhì)量是什么樣、電荷是什么樣（應(yīng)該為零）、自旋是什么、相互作用的強(qiáng)度是什么，這就是我們想做的研究。
如果暗物質(zhì)和普通物質(zhì)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(jì)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(zhì)的粒子就可以在實(shí)驗(yàn)室更加精細(xì)的研究。
總的來說有實(shí)驗(yàn)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(chǎn)物；第三種是在很高能的加速器上把暗物質(zhì)產(chǎn)生出來，我們通常稱為這直接探測、間接探測和對撞機(jī)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(gè)銀河系是被暗物質(zhì)的暈包著。
你把暗物質(zhì)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(jìn)，這個(gè)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(dòng)量。因此對于地球上的探測器，暗物質(zhì)粒子攜帶著動(dòng)量和能量，可以通過普通物質(zhì)受到撞擊以后得到的反沖來測量這種暗物質(zhì)。
這個(gè)簡單的原理是1985年由Witten和Goodman提出的想法，尋找暗物質(zhì)和普通物質(zhì)原子核相互碰撞以后原子核被踢出去的信號。但如果你發(fā)現(xiàn)了這種非常微弱的碰撞之后，你怎么就能說這個(gè)信號就是暗物質(zhì)造成的呢？這就是實(shí)驗(yàn)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(zhì)和普通物質(zhì)的碰撞！
那暗物質(zhì)和普通物質(zhì)容易碰撞嗎？一定很難，要不然今天早已經(jīng)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(zhì)穿過我們呢？可以做一個(gè)數(shù)量級估算。因?yàn)槲覀冎腊滴镔|(zhì)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(gè)暗物質(zhì)穿過人的身體。
而每個(gè)人身體中間大概有10到29次方個(gè)原子，也有同樣多的原子核。這兩個(gè)數(shù)乘在一起，暗物質(zhì)應(yīng)當(dāng)很容易撞到普通物質(zhì)。可今天我們知道，每年這樣的暗物質(zhì)和每個(gè)人碰撞的次數(shù)是小于一次，這不是理論推斷，而是實(shí)驗(yàn)結(jié)果！
我們沒有看到暗物質(zhì)，是因?yàn)樗鼈兺胀ㄎ镔|(zhì)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(huán)境，身體和環(huán)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(zhì)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(huán)境中。
去除宇宙射線干擾沒有很聰明的辦法。目前測暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)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(huán)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(zhì)探測方面有比較快的發(fā)展，我國的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室為這個(gè)領(lǐng)域提供了絕佳的機(jī)遇。
“熊貓”實(shí)驗(yàn)：直接探測暗物質(zhì)
2009年，在雅礱水電和清華大學(xué)的共同推動(dòng)下，在錦屏隧道的中間擴(kuò)挖了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室到山頂?shù)拇怪本嚯x是兩千四百米，叫中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。在此之后，中國有了自己的地下實(shí)驗(yàn)室，而且這個(gè)深地實(shí)驗(yàn)室是全世界最深的。
有了這個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)家開始了第一代暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。其中由上海交大牽頭的實(shí)驗(yàn)叫“熊貓”實(shí)驗(yàn)，或者叫PandaX實(shí)驗(yàn)，使用液氙這種靶材料，來探測比較重質(zhì)量的暗物質(zhì)。
另外一個(gè)是清華大學(xué)牽頭的，叫做CDEX實(shí)驗(yàn)，使用非常純的鍺作為靶材料來探測比較輕質(zhì)量的暗物質(zhì)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都在過去的十年中間有比較快的發(fā)展。
今天我來重點(diǎn)給大家介紹一下，我所參與的PandaX的實(shí)驗(yàn)。之所以起這個(gè)名字，某種意義上是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(gè)英文詞的組合，Particle AND Astrophysical（粒子和天體物理，因?yàn)榘滴镔|(zhì)本身既是基本粒子particle的問題也是一個(gè)天體物理astrophysical的問題），最后這個(gè)X就是氙元素英文Xenon的簡寫。
我們在過去十年中已經(jīng)成功的研制并且運(yùn)行兩代實(shí)驗(yàn)，第一代實(shí)驗(yàn)叫做PandaX-I，左圖上看到和一個(gè)人比較的探測器，它是個(gè)120公斤級的暗物質(zhì)探測器。2014年開始我們升級到第二代580公斤級暗物質(zhì)探測器叫PandaX-II。后面我會對這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)做一個(gè)簡介。
實(shí)驗(yàn)所用的氙是已知最重的、穩(wěn)定的惰性氣體。還有更重的一種叫氡，氡是不穩(wěn)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(tài)的時(shí)候，密度大概是水的三倍。氙在我們的實(shí)驗(yàn)中是探測暗物質(zhì)的靶子，必須有大量的氙才能探測暗物質(zhì)。
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(zhì)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(gè)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(gè)電場以后，這些電子會在電場下漂移。當(dāng)它漂移到液體和氣體的界面，這時(shí)候要用一個(gè)更強(qiáng)的電場，把電子拽出去，再把電子轉(zhuǎn)化為更多的光子，這時(shí)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(shí)電子漂到氣液二相的界面的時(shí)候才會產(chǎn)生二次發(fā)光，這個(gè)技術(shù)被稱為兩相型液氙技術(shù)。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(gè)碰撞事例的三維位置XYZ重建出來，像是一個(gè)三維的照相機(jī)。同時(shí)，當(dāng)你能夠?qū)庾雍碗娮舆M(jìn)行同時(shí)測量，它會對我們所說的暗物質(zhì)碰撞的信號同其他的假信號（本底）有很好的區(qū)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(nèi)層液氙做了屏蔽，可以有效的降低實(shí)驗(yàn)的本底噪聲。
上圖是錦屏實(shí)驗(yàn)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?？傮w的寬度是3.5米，從外到內(nèi)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(zhì)子，質(zhì)子的重量和中子接近，所以環(huán)境中的中子碰到聚乙烯的質(zhì)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(shí)對伽瑪射線有很強(qiáng)的屏蔽能力。我們最核心的零下負(fù)100度的液氙探測器，放置在一個(gè)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(jié)冰。為了隔絕和空氣的熱傳導(dǎo)，探測器容器放置在一個(gè)無氧銅做成的真空罩里（照片最內(nèi)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(shè)首期的PandaX-I的探測器，一個(gè)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(gè)光電探測陣列來觀察液氙中產(chǎn)生的光子。我們花了五年時(shí)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(zhì)。很多人會問，沒有看到暗物質(zhì)是不是說明實(shí)驗(yàn)是零結(jié)果，或者是屬于失敗的實(shí)驗(yàn)？這個(gè)理解是不對的。
打一個(gè)比方，當(dāng)你用望遠(yuǎn)鏡看一個(gè)遙遠(yuǎn)的區(qū)域，在區(qū)域中間相機(jī)曝光很長時(shí)間之后，沒有看到星星，并不能說黑色區(qū)域沒有星星，只能說根據(jù)這么長時(shí)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(gè)值。這里也是一樣，PandaX一期的實(shí)驗(yàn)沒有看到暗物質(zhì)信號，不能說明沒有暗物質(zhì)，但可以對暗物質(zhì)和普通物質(zhì)碰撞的機(jī)率、或者相互作用的強(qiáng)度設(shè)一個(gè)上限。上限指的是它不可能高于某一個(gè)值，高于這個(gè)值就應(yīng)該能看見。
這張圖體現(xiàn)出的就是這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？v軸就是相互作用強(qiáng)度，橫軸是暗物質(zhì)的質(zhì)量，紅顏色以上的區(qū)域被排除。紅顏色以上的區(qū)域中有很多圈，這些圈是什么呢？在十年前，國際上有很多實(shí)驗(yàn)，在圈圈的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一些暗物質(zhì)疑似的信號，當(dāng)時(shí)眾說紛紜，不知是不是真實(shí)的暗物質(zhì)信號。PandaX一期的實(shí)驗(yàn)做出的結(jié)果，就把這些疑似信號全部排除。
雖然這張圖上也有其他實(shí)驗(yàn)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(xué)貢獻(xiàn)。我們的結(jié)果出來之后，國際上非常著名的《科學(xué)》雜志以“中國團(tuán)隊(duì)迎頭趕上為題”為我們專門寫了一篇報(bào)道。
我們在國際上產(chǎn)生更加重要影響力的是第二代PandaX-II二期實(shí)驗(yàn)。在首期實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，我們很快進(jìn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行競爭。
安裝探測器必須在非常潔凈的環(huán)境下，我們穿的潔凈服并不擔(dān)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(chǎn)生非常大的影響。學(xué)生都很喜歡安裝探測器，設(shè)計(jì)完以后花幾個(gè)月時(shí)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(zhì)探測實(shí)驗(yàn)
作為一個(gè)真正實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家開始，你會發(fā)現(xiàn)其實(shí)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(diào)試。我們在研究的過程中，幾乎所有時(shí)間都用來解決實(shí)際的問題。就像破案一樣，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，解決一個(gè)問題，再發(fā)現(xiàn)一個(gè)新問題，再解決一個(gè)新問題，每天都是這樣。有時(shí)候覺得有趣，有時(shí)候覺得非常有挫折感，因?yàn)閱栴}好像總是解決不完。具體今天我舉例只能說滄海一粟，其實(shí)的困難更多。
終于在2015年底，我們的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(yùn)行探測器也是很漫長的過程?？墒俏覀兎€(wěn)定運(yùn)行十幾天以后，開始采集數(shù)據(jù)，突然發(fā)現(xiàn)有新的本底噪音，不像前面發(fā)現(xiàn)的問題都是技術(shù)上的問題，這是個(gè)物理本底！有一種雜質(zhì)跑到探測器里，這種雜質(zhì)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(wěn)定的，那氪也應(yīng)該是穩(wěn)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(jìn)入核時(shí)代以后，核武器、當(dāng)然和平應(yīng)用的核電站等裂變中會產(chǎn)生一些放射性的元素，比如說氪85，也被釋放到空氣中。當(dāng)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(wěn)定，半衰期大概是十年?？墒羌词惯@么微量的氪，如果少量的泄漏到探測器中，也會產(chǎn)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(shí)際的事例分布圖。這張圖的縱軸是事件發(fā)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(nèi)層的氙會被外層的保護(hù)住，所以中間這個(gè)區(qū)域應(yīng)該是很干凈。但假如碰撞事件均勻分布，那所有的事例的點(diǎn)，在這張圖上就應(yīng)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?？鞓吩陔杏斡荆院芸炀头植季鶆蛄?。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(shí)候都學(xué)過化學(xué)，我高中學(xué)化學(xué)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(yè)稱這個(gè)為空分，專業(yè)的說法叫做精餾，就是對不同沸點(diǎn)的液體進(jìn)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(gè)數(shù)量級，因此這個(gè)裝置必須要自己研制。
為了做這個(gè)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(yùn)回上海，在上海精餾之后又運(yùn)回錦屏。折騰到2016年的3月到6月，才開始進(jìn)行穩(wěn)定的暗物質(zhì)曝光。天文學(xué)望遠(yuǎn)鏡的曝光就是盯著一個(gè)地方，一動(dòng)不動(dòng)看很長的時(shí)間。暗物質(zhì)的曝光也是這樣，探測器非常穩(wěn)定的運(yùn)行，等待暗物質(zhì)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(gè)樣子。這張圖每個(gè)點(diǎn)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(xì)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(zhì)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(fā)現(xiàn)中間多出來一個(gè)峰。經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)它是來自于另一種雜質(zhì)，這種雜質(zhì)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(wěn)定的嗎？氙127在常態(tài)的氙中間不會有，可是當(dāng)氙氣受到宇宙射線的輻照以后，會產(chǎn)生氙127放射性雜質(zhì)，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(yùn)回上海、回來的路途中，因?yàn)檫^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(chǎn)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(shí)驗(yàn)。所以我們等了一陣以后，就可以利用數(shù)據(jù)來進(jìn)行暗物質(zhì)搜尋了。還好這個(gè)問題不致命，我們也買了個(gè)非常好的教訓(xùn)。
另外一個(gè)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(zhì)，哪些是假的信號？這時(shí)候我們就開展一個(gè)所謂的刻度研究。什么是刻度？刻度就是拿到一些已知性質(zhì)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(zhì)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(shí)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(zhì)的信號呢？有一種方法，用中子去輻照暗物質(zhì)探測器。由于中子和原子核有很強(qiáng)的相互作用，也會把一些氙原子核踢出去，碰撞事例暗物質(zhì)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(diǎn)，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(gè)質(zhì)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(zhì)子再加上一個(gè)中子。再加一個(gè)中子，一個(gè)質(zhì)子兩個(gè)中子的原子核就叫做氚了。
氚是不穩(wěn)定的同位素，會產(chǎn)生貝塔衰變，中間的中子會轉(zhuǎn)化成質(zhì)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(shí)際的伽馬本底信號了。另外一些紅點(diǎn)，就是中子打出核反沖信號，和暗物質(zhì)信號長得一樣。你可以看到上下兩種顏色之間有很大的區(qū)分度，如果我在紅顏色的點(diǎn)中央畫出一個(gè)紅線，在紅線以下如果有疑似事例的出現(xiàn)，就有可能是暗物質(zhì)產(chǎn)生的真正信號。
回到剛才的圖。這張圖紅線以下的區(qū)域，就是搜尋暗物質(zhì)信號的區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)！能不能說我發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)呢？不能的。嚴(yán)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(diǎn)超出我們對本底的預(yù)期。
通過計(jì)算，我們預(yù)期的本底泄漏是2.5個(gè)，比實(shí)際測量到的1個(gè)事例還要更高（當(dāng)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(zhì)。正如我前面所說的，這個(gè)結(jié)果可以轉(zhuǎn)化成這張圖上紅顏色的曲線，這條線以上的區(qū)域就被排除。這也是2016年國際上對暗物質(zhì)和普通物質(zhì)相互作用最強(qiáng)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(shí)驗(yàn)從未看過的區(qū)域，把很大的參數(shù)空間排除掉。我們的結(jié)果在物理學(xué)頂級雜志《物理學(xué)評論快報(bào)》上發(fā)表，他們把我們實(shí)驗(yàn)的照片作為當(dāng)期的封面。
再講一個(gè)有點(diǎn)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?yàn)殡笆腔钚缘?，不是惰性氣體，原則上可以通過熱化學(xué)方式很好去除。
上圖體現(xiàn)的就是這個(gè)過程，紅顏色的點(diǎn)都是由于氚注入以后產(chǎn)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(dá)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(chǎn)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(xué)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(xùn)，我們把精餾裝置直接移到地下實(shí)驗(yàn)室，沒有從上海和錦屏之間運(yùn)輸，避免探測器遭受宇宙射線的輻照。精餾的過程跨過春節(jié)，大年初一，同學(xué)們還在實(shí)驗(yàn)室里煮餃子。我們經(jīng)過這段艱苦的歷程，把討厭的氚本底降低一百倍，同時(shí)把探測器中間氪氣的本底進(jìn)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(shù)據(jù)。這張圖在紅色的數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，藍(lán)色的框里面的便是2017年精餾完后我們再采集的數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑吕什粌H遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于注入氚以后的本底率，也比2016年暗物質(zhì)數(shù)據(jù)的本底還低。
我們的數(shù)據(jù)選擇的過程，可以給你一個(gè)數(shù)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(gè)。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(gè)，就是剛才藍(lán)框中的事例。每天兩個(gè)本底和最終一年要找到少于一個(gè)事例之間還是有很大的差距，這個(gè)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(zhì)候選者。2017年新的數(shù)據(jù)，在能量看是這樣的，還有一點(diǎn)來自于氙127，但是已經(jīng)衰變得很低。低能區(qū)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(shù)據(jù)兩維的分布，大多數(shù)點(diǎn)分布在比較高的區(qū)域，我們要在紅顏色的線以下找暗物質(zhì)，非常遺憾我們一個(gè)沒有發(fā)現(xiàn)。也就是說，我們每天記錄35萬個(gè)事例，分析以后每天篩選出兩個(gè)事例進(jìn)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(gè)事例！但這也正體現(xiàn)了我們實(shí)驗(yàn)的靈敏度。
這張圖是我們2017年最終的結(jié)果，超越2016年結(jié)果限制三倍，也超越當(dāng)時(shí)國際上最大規(guī)模的歐洲XENON1T探測器的結(jié)果。這張圖上的紅色以上的區(qū)域就是實(shí)驗(yàn)所排除的所有區(qū)域，是國際上最強(qiáng)的。
大家有看過生活大爆炸的話，里面有一個(gè)非常聰明的男主角，中文翻譯叫做謝耳朵，其實(shí)他的原形，是1979年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者叫做格拉肖，他是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)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(jià)，說“中國在世界最深的實(shí)驗(yàn)室里建設(shè)PandaX，已經(jīng)進(jìn)入世界暗物質(zhì)探測的國際競賽，而且取得國際上最強(qiáng)對暗物質(zhì)的限制?！?/strong>
你可能要問從2017年到今天到底發(fā)生了什么呢？PandaX二期繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，在此之后一共積累大概四百多天的數(shù)據(jù)，其中有一些是暗物質(zhì)的曝光，有一些是刻度研究，有一些是我們對探測器技術(shù)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(shù)據(jù)中暗物質(zhì)曝光的數(shù)據(jù)，我們在實(shí)驗(yàn)中間采取所謂“盲分析”的方法。什么意思呢？為了避免分析數(shù)據(jù)的主觀性（這個(gè)事例我喜歡，這個(gè)事例我不喜歡），只有當(dāng)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(shù)據(jù)。本來我們計(jì)劃是上個(gè)周末把黑盒子打開的，由于一些原因發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)，大家可以拭目以待。
我們也在進(jìn)行更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，希望對暗物質(zhì)進(jìn)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(shí)驗(yàn)，都是在比較狹小的錦屏一期實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的。從2015年開始，錦屏實(shí)驗(yàn)室開始擴(kuò)容。未來的PandaX實(shí)驗(yàn)會在新的地方，錦屏二期實(shí)驗(yàn)室的B2大廳內(nèi)，有更大的實(shí)驗(yàn)空間。錦屏實(shí)驗(yàn)室二期的建設(shè)也被國家發(fā)改委正式在“十三五”立項(xiàng)。
間接探測暗物質(zhì)
暗物質(zhì)間接探測也有重要的科學(xué)意義。銀河系中心有一些暗物質(zhì)和暗物質(zhì)粒子碰撞以后，互相湮滅以后產(chǎn)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(zhì)的存在。我國2015年12月份在西昌升空發(fā)射的“悟空號”衛(wèi)星，就是為了做這樣的探測，由我國紫金山天文臺的常進(jìn)院士領(lǐng)銜。
這個(gè)探測器有非常高的能量覆蓋范圍，很多性能方面國際領(lǐng)先。2017年，悟空衛(wèi)星發(fā)表了很重要的結(jié)果，在來自宇宙的高能電子分布上，在質(zhì)子質(zhì)量1400倍左右，發(fā)現(xiàn)了一些有趣的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)到底來自什么，現(xiàn)在我們并不是特別清楚，但是很多理論學(xué)家認(rèn)為是來自銀河系暗物質(zhì)湮滅的信號。
這能夠說明什么問題呢？很多理論學(xué)家們，包括我的一些好朋友，都做了深入的研究。他們的預(yù)期是，如果用暗物質(zhì)來合理的解釋悟空號的結(jié)果，則意味著暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的相互作用的強(qiáng)度比目前實(shí)驗(yàn)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(zhì)和普通物質(zhì)碰撞的信號了！這對于我們來說是非常激動(dòng)人心的預(yù)言。我國間接探測的實(shí)驗(yàn)，如果有朝一日能夠和直接探測實(shí)驗(yàn)相互印證，豈不是絕妙！
另外，一個(gè)近期的進(jìn)展來自于我們的國際競爭對手。意大利的XENON1T實(shí)驗(yàn)2018年一年曝光量的靈敏度已經(jīng)超過PandaX-II。
這張圖顯示XENON1T實(shí)驗(yàn)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(tǒng)計(jì)漲落，當(dāng)然也可能來自于暗物質(zhì)真實(shí)的信號，現(xiàn)在并不能很好的判斷?？墒侨绻覀兗俣ǔ龃_實(shí)是來自暗物質(zhì)和氙原子核碰撞的信號的話，如果能夠建設(shè)比PandaX-II靈敏10倍的探測器，運(yùn)行兩年將有可能發(fā)現(xiàn)9-10個(gè)事例！
因此我們實(shí)驗(yàn)下一步計(jì)劃就是把PandaX-II的探測器本底進(jìn)一步降低，體量升級7-8倍，建設(shè)一個(gè)4噸級的探測器。當(dāng)然形狀和整體的探測原理非常相似，技術(shù)上做了很多改進(jìn)。
預(yù)期這樣的探測器能夠達(dá)到什么樣的性能呢？上圖顯示的是模擬計(jì)算的預(yù)期，黑色的點(diǎn)是環(huán)境中已知的本底信號。如果我們把暗物質(zhì)信號摻進(jìn)去，除了黑點(diǎn)以外，在圖的左下方出現(xiàn)一系列紅色的點(diǎn)。假如暗物質(zhì)信號剛好躲在目前探測器靈敏度這條線下面一點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)一年后，就有可能出現(xiàn)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(zhì)被找到了！
在這個(gè)目的的驅(qū)使下，我們實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(xù)降一個(gè)數(shù)量級。
上圖除了現(xiàn)在已知的排除線以外，這些形狀有點(diǎn)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(zhì)有可能存在的區(qū)間。有一些區(qū)域已經(jīng)被排除，可是下面還有非常大的區(qū)間還沒有被人類所掃描。所以我們希望有一天，中國的科學(xué)家能夠在這些區(qū)域看到暗物質(zhì)的信號，為人類的科學(xué)進(jìn)步做出中國人不可或缺的貢獻(xiàn)。
當(dāng)然我說的都是科學(xué)計(jì)劃的“希望值”，但是真實(shí)的情況可能不是這樣，科學(xué)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)常并不遵守原來的計(jì)劃?？梢杂媒趲讉€(gè)在地下做中微子實(shí)驗(yàn)重要的科學(xué)成果來舉例子。
2002年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予兩個(gè)物理學(xué)家，一個(gè)叫小柴昌俊，另外一個(gè)叫雷蒙德·戴維斯。小柴昌俊原本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是研究質(zhì)子的衰變，可是他的實(shí)驗(yàn)剛剛運(yùn)行一年不到，他就發(fā)現(xiàn)來自超新星爆發(fā)的中微子。戴維斯也是這樣，當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是想找太陽中微子，但是他更大的貢獻(xiàn)是看見太陽中微子比預(yù)期的中微子少了三倍！
2015年諾貝爾獎(jiǎng)又繼續(xù)授予了深地中微子探測的科學(xué)家，小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章，想繼續(xù)從事他導(dǎo)師質(zhì)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(fā)現(xiàn)大氣中微子的振蕩的現(xiàn)象，也就是一定入射角度的中微子有強(qiáng)烈的消失。
另外一個(gè)加拿大科學(xué)家叫麥克唐納，他的目標(biāo)也是通過加拿大極深地下的實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)理解戴維斯看到的太陽中微子的消失之謎，最后發(fā)現(xiàn)太陽中微子并沒有消失，而是產(chǎn)生了振蕩，從一種中微子變成另外一種中微子。這幾個(gè)發(fā)現(xiàn)的共同點(diǎn)都是原本是想找到一個(gè)物理目標(biāo)，卻導(dǎo)致了預(yù)期之外的、更加激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。
因此，即便我們在極深的地下開展前沿的實(shí)驗(yàn)，沒有找到期望的信號，但是意想不到的發(fā)現(xiàn)豈不是更讓人激動(dòng)！
注：本文根據(jù)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。
劉江來
未來論壇青創(chuàng)聯(lián)盟成員
上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授
教授、博士生導(dǎo)師。1998年南京大學(xué)物理系本科，2006年美國馬里蘭大學(xué)博士，2006-2010年加州理工學(xué)院博士后、 資深博士后，2010年被聘為上海交通大學(xué)物理和天文系特別研究員，2016年成為教授。主要從事實(shí)驗(yàn)粒子與核物理研究，尤其是暗物質(zhì)、中微子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的前沿研究，是PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)第二負(fù)責(zé)人，大亞灣/江門中微子實(shí)驗(yàn)刻度系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。2015年獲國家杰出青年基金?，F(xiàn)主持基金委杰出青年基金（2015-2020），重點(diǎn)項(xiàng)目（2015-2019），科技部973項(xiàng)目課題一項(xiàng)（2013-2017），中科院先導(dǎo)專項(xiàng)課題一項(xiàng)（2013-2018）
注：本文轉(zhuǎn)載自未來論壇。
