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(shì)能
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探索宇宙的幽靈——中國(guó)科學(xué)家的初心
主講嘉賓：劉江來(lái)，未來(lái)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梗麖?0年代開(kāi)始，對(duì)宇宙學(xué)做出了一系列開(kāi)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(jiàn)的暗物質(zhì)，是宇宙演化的必要因素，甚至可以說(shuō)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(pán)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(shì)能。如果我們把每顆星（包括太陽(yáng)系）繞著銀河系中心的旋轉(zhuǎn)都觀測(cè)出來(lái)的話，就能把暗物質(zhì)的分布推算出來(lái)。
我們今天知道，在太陽(yáng)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(jí)，1后面要跟21個(gè)零！
你可能會(huì)問(wèn)，這么稀薄的暗物質(zhì)，比空氣低這么多數(shù)量級(jí)，為什么會(huì)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(duì)小尺度肯定沒(méi)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(zhǎng)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(huà)“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(lái)畫(huà)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(kāi)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(lái)說(shuō)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(cè)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(lái)，我們通常稱(chēng)為這直接探測(cè)、間接探測(cè)和對(duì)撞機(jī)探測(cè)。
今天最主要的部分是講直接探測(cè)。直接探測(cè)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(yáng)系就像騎著摩托車(chē)的人一樣。摩托車(chē)以高速相對(duì)“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(duì)著騎摩托車(chē)的人有很大的動(dòng)量。因此對(duì)于地球上的探測(cè)器，暗物質(zhì)粒子攜帶著動(dòng)量和能量，可以通過(guò)普通物質(zhì)受到撞擊以后得到的反沖來(lái)測(cè)量這種暗物質(zhì)。
這個(gè)簡(jiǎn)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(hào)。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(shuō)這個(gè)信號(hào)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(hào)是真正來(lái)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(guò)我們呢？可以做一個(gè)數(shù)量級(jí)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(lái)，每秒鐘有十億個(gè)暗物質(zhì)穿過(guò)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(méi)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(lái)比，這些碰撞多得多。因此我們要想辦法把探測(cè)器藏起來(lái)，藏到干擾因素很低的環(huán)境中。
去除宇宙射線干擾沒(méi)有很聰明的辦法。目前測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)都躲在地底下，通過(guò)地表的巖石把來(lái)自宇宙中間的高能帶電粒子擋住。而對(duì)于環(huán)境中的伽瑪射線，這些射線無(wú)處不有，在極深的地下也有，我們需要把探測(cè)器層層包裹起來(lái)，用熟知的鉛、銅材料把伽瑪射線擋住。
在過(guò)去的十年間，中國(guó)在暗物質(zhì)探測(cè)方面有比較快的發(fā)展，我國(guó)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(cè)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(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。在此之后，中國(guó)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(guó)科學(xué)家開(kāi)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(lái)探測(cè)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(lái)探測(cè)比較輕質(zhì)量的暗物質(zhì)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都在過(guò)去的十年中間有比較快的發(fā)展。
今天我來(lái)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(wèn)題也是一個(gè)天體物理astrophysical的問(wèn)題），最后這個(gè)X就是氙元素英文Xenon的簡(jiǎn)寫(xiě)。
我們?cè)谶^(guò)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(cè)器，它是個(gè)120公斤級(jí)的暗物質(zhì)探測(cè)器。2014年開(kāi)始我們升級(jí)到第二代580公斤級(jí)暗物質(zhì)探測(cè)器叫PandaX-II。后面我會(huì)對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)做一個(gè)簡(jiǎn)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(zhǎng)壽命的氡只活四天，半衰期就到了，就會(huì)衰變。氙首先它無(wú)色無(wú)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(cè)暗物質(zhì)的靶子，必須有大量的氙才能探測(cè)暗物質(zhì)。
探測(cè)器的原理也相對(duì)簡(jiǎn)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(hào)。信號(hào)的能量往往是通過(guò)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(jiàn)”。光子相對(duì)好辦，我剛才說(shuō)了氙是一種無(wú)色無(wú)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(cè)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(lái)之后，其他的氙原子并不會(huì)把電子吃掉。如果探測(cè)器上加上一個(gè)電場(chǎng)以后，這些電子會(huì)在電場(chǎng)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(chǎng)，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(huì)被探測(cè)器上下的陣列探測(cè)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(huì)產(chǎn)生二次發(fā)光，這個(gè)技術(shù)被稱(chēng)為兩相型液氙技術(shù)。這樣探測(cè)器比較容易代代升級(jí)做到很大。
這樣的探測(cè)器可以將每一個(gè)碰撞事例的三維位置XYZ重建出來(lái)，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(cè)量，它會(huì)對(duì)我們所說(shuō)的暗物質(zhì)碰撞的信號(hào)同其他的假信號(hào)（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(duì)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(cè)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(wú)氧銅的屏蔽體。無(wú)氧銅是非常純凈的材料，本身放射性極低，同時(shí)對(duì)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(cè)器，放置在一個(gè)不銹鋼容器中，如果它直接和空氣接觸，會(huì)有巨大漏熱，而且表面上會(huì)結(jié)冰。為了隔絕和空氣的熱傳導(dǎo)，探測(cè)器容器放置在一個(gè)無(wú)氧銅做成的真空罩里（照片最內(nèi)層的圓柱體），無(wú)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(cè)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(kāi)來(lái)，在探測(cè)器的頂端和低端分別有兩個(gè)光電探測(cè)陣列來(lái)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(cè)器建成。
錦屏第一代PandaX一期的探測(cè)器得到了哪些研究成果呢？首先，我們沒(méi)有并沒(méi)有看到暗物質(zhì)。很多人會(huì)問(wèn)，沒(méi)有看到暗物質(zhì)是不是說(shuō)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間之后，沒(méi)有看到星星，并不能說(shuō)黑色區(qū)域沒(méi)有星星，只能說(shuō)根據(jù)這么長(zhǎng)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(méi)有看到暗物質(zhì)信號(hào)，不能說(shuō)明沒(méi)有暗物質(zhì)，但可以對(duì)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(jiàn)。
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(guó)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(hào)，當(dāng)時(shí)眾說(shuō)紛紜，不知是不是真實(shí)的暗物質(zhì)信號(hào)。PandaX一期的實(shí)驗(yàn)做出的結(jié)果，就把這些疑似信號(hào)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(hào)全部排除也是很重要的科學(xué)貢獻(xiàn)。我們的結(jié)果出來(lái)之后，國(guó)際上非常著名的《科學(xué)》雜志以“中國(guó)團(tuán)隊(duì)迎頭趕上為題”為我們專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了一篇報(bào)道。
我們?cè)趪?guó)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(jí)工作。2015年開(kāi)始，我們從120公斤升級(jí)到580公斤，和美國(guó)、意大利的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
安裝探測(cè)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(cè)器表面以后，都會(huì)對(duì)本底產(chǎn)生非常大的影響。學(xué)生都很喜歡安裝探測(cè)器，設(shè)計(jì)完以后花幾個(gè)月時(shí)間拼裝起來(lái)很有成就感。在2015年的年初，我們很快把探測(cè)器從120公斤升級(jí)到580公斤的體量。
一波三折的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)
作為一個(gè)真正實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家開(kāi)始，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)很多事情是事與愿違的。2015年全年，我們對(duì)安裝好的探測(cè)器開(kāi)始了非常漫長(zhǎng)的調(diào)試。我們?cè)谘芯康倪^(guò)程中，幾乎所有時(shí)間都用來(lái)解決實(shí)際的問(wèn)題。就像破案一樣，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，解決一個(gè)問(wèn)題，再發(fā)現(xiàn)一個(gè)新問(wèn)題，再解決一個(gè)新問(wèn)題，每天都是這樣。有時(shí)候覺(jué)得有趣，有時(shí)候覺(jué)得非常有挫折感，因?yàn)閱?wèn)題好像總是解決不完。具體今天我舉例只能說(shuō)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(kāi)始把探測(cè)器里灌裝液氙，等待到可以運(yùn)行探測(cè)器也是很漫長(zhǎng)的過(guò)程?？墒俏覀兎€(wěn)定運(yùn)行十幾天以后，開(kāi)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(wèn)題都是技術(shù)上的問(wèn)題，這是個(gè)物理本底！有一種雜質(zhì)跑到探測(cè)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(shuō)過(guò)，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(wàn)分之一的氪氣?？墒呛苡幸馑嫉氖?，在人類(lèi)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(huì)產(chǎn)生一些放射性的元素，比如說(shuō)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(cè)器中，也會(huì)產(chǎn)生非常討厭的本底信號(hào)。
我們來(lái)看一下上圖，這張圖就是19天以后在探測(cè)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(cè)器中有多深，橫軸是事例在探測(cè)器中間分布X平方加Y平方（半徑的平方）。
我們說(shuō)過(guò)，液氙探測(cè)器本身是非常好的自屏蔽體，內(nèi)層的氙會(huì)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?cè)?9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(yú)一樣非?？鞓?lè)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(shí)候都學(xué)過(guò)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(chēng)這個(gè)為空分，專(zhuān)業(yè)的說(shuō)法叫做精餾，就是對(duì)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(lái)，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(duì)氪氣的要求要降到氙氣的十億分之一，比剛才說(shuō)的百萬(wàn)分之一低了六個(gè)數(shù)量級(jí)，因此這個(gè)裝置必須要自己研制。
為了做這個(gè)分離，我們?cè)诮淮笱兄屏藢?zhuān)門(mén)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(kāi)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(zhǎng)的時(shí)間。暗物質(zhì)的曝光也是這樣，探測(cè)器非常穩(wěn)定的運(yùn)行，等待暗物質(zhì)的信號(hào)。
2016年，我們曝光80天以后，把“膠片”拿出來(lái)，長(zhǎng)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(lái)的碰撞事例，縱軸是我們測(cè)量到的電子和光子的比例，橫軸基本上就測(cè)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(huà)成能量分布圖，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)中間多出來(lái)一個(gè)峰。經(jīng)過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)它是來(lái)自于另一種雜質(zhì)，這種雜質(zhì)不再是氪，而是來(lái)自于氙的一種放射性同位素叫氙127！你可能會(huì)問(wèn)，氙不是穩(wěn)定的嗎？氙127在常態(tài)的氙中間不會(huì)有，可是當(dāng)氙氣受到宇宙射線的輻照以后，會(huì)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(lái)的？原來(lái)我們把氙從錦屏運(yùn)回上海、回來(lái)的路途中，因?yàn)檫^(guò)程都是在地表，所以在路上、在精餾的過(guò)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(lái)進(jìn)行暗物質(zhì)搜尋了。還好這個(gè)問(wèn)題不致命，我們也買(mǎi)了個(gè)非常好的教訓(xùn)。
另外一個(gè)問(wèn)題，我剛才說(shuō)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(hào)？這時(shí)候我們就開(kāi)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(cè)器里，研究事件的分布是怎樣。
伽瑪射線本底打到探測(cè)器會(huì)把電子踢出去；而我們的暗物質(zhì)打到探測(cè)器中間的話，它會(huì)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(cè)到電子信號(hào)和光子信號(hào)，那兩種事例的電子和光子的信號(hào)比值也是不一樣的。
可是我們?cè)趺纯潭劝滴镔|(zhì)的信號(hào)呢？有一種方法，用中子去輻照暗物質(zhì)探測(cè)器。由于中子和原子核有很強(qiáng)的相互作用，也會(huì)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(cè)器中注入的微量的氚把電子踢出去的信號(hào)。氚是氫的一種同位素，普通氫元素是一個(gè)質(zhì)子，沒(méi)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(huì)產(chǎn)生貝塔衰變，中間的中子會(huì)轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，放出低能的電子。低能的電子分布在探測(cè)器里，就非常類(lèi)似于我們的實(shí)際的伽馬本底信號(hào)了。另外一些紅點(diǎn)，就是中子打出核反沖信號(hào)，和暗物質(zhì)信號(hào)長(zhǎng)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(huà)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(hào)。
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(hào)的區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)！能不能說(shuō)我發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)呢？不能的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)你要問(wèn)，正常的本底信號(hào)有多大的可能性也會(huì)落到紅線以下。然后要看是否漏下來(lái)的點(diǎn)超出我們對(duì)本底的預(yù)期。
通過(guò)計(jì)算，我們預(yù)期的本底泄漏是2.5個(gè)，比實(shí)際測(cè)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(méi)有看到暗物質(zhì)。正如我前面所說(shuō)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(guó)際上對(duì)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(guó)際的最前沿，掃描了之前別的實(shí)驗(yàn)從未看過(guò)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(jí)雜志《物理學(xué)評(píng)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(shuō)了，為了刻度本底，我們把探測(cè)器中注入了微量的氚。原本我們希望把探測(cè)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(guò)熱化學(xué)方式很好去除。
上圖體現(xiàn)的就是這個(gè)過(guò)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(lái)探測(cè)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(huì)在探測(cè)器像小魚(yú)一樣的游，產(chǎn)生均勻分布的本底。氚就是我們探測(cè)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?cè)?017年年初決定做第二次對(duì)探測(cè)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(méi)有從上海和錦屏之間運(yùn)輸，避免探測(cè)器遭受宇宙射線的輻照。精餾的過(guò)程跨過(guò)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(guò)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(cè)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?cè)?017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?cè)俨杉臄?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(guò)程，可以給你一個(gè)數(shù)量級(jí)的感受。每天我們探測(cè)器中所有能夠被記錄下來(lái)的事例大約35萬(wàn)個(gè)。而每天通過(guò)各種篩選條件被挑選出來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(méi)有發(fā)現(xiàn)。也就是說(shuō)，我們每天記錄35萬(wàn)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(méi)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(guó)際上最大規(guī)模的歐洲XENON1T探測(cè)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(guó)際上最強(qiáng)的。
大家有看過(guò)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(píng)價(jià)，說(shuō)“中國(guó)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(cè)的國(guó)際競(jìng)賽，而且取得國(guó)際上最強(qiáng)對(duì)暗物質(zhì)的限制?！?/strong>
你可能要問(wèn)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(duì)探測(cè)器技術(shù)的專(zhuān)題研究。在去年的七月份，我們正式把探測(cè)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?cè)趯?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(lái)的數(shù)據(jù)。本來(lái)我們計(jì)劃是上個(gè)周末把黑盒子打開(kāi)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(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行更加靈敏地探測(cè)。我們國(guó)家對(duì)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(kāi)始，錦屏實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始擴(kuò)容。未來(lái)的PandaX實(shí)驗(yàn)會(huì)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(guó)家發(fā)改委正式在“十三五”立項(xiàng)。
間接探測(cè)暗物質(zhì)
暗物質(zhì)間接探測(cè)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(cè)器看到，也可以間接的說(shuō)明暗物質(zhì)的存在。我國(guó)2015年12月份在西昌升空發(fā)射的“悟空號(hào)”衛(wèi)星，就是為了做這樣的探測(cè)，由我國(guó)紫金山天文臺(tái)的常進(jìn)院士領(lǐng)銜。
這個(gè)探測(cè)器有非常高的能量覆蓋范圍，很多性能方面國(guó)際領(lǐng)先。2017年，悟空衛(wèi)星發(fā)表了很重要的結(jié)果，在來(lái)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(lái)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(lái)自銀河系暗物質(zhì)湮滅的信號(hào)。
這能夠說(shuō)明什么問(wèn)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(lái)合理的解釋悟空號(hào)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(shuō)，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(hào)了！這對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是非常激動(dòng)人心的預(yù)言。我國(guó)間接探測(cè)的實(shí)驗(yàn)，如果有朝一日能夠和直接探測(cè)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(lái)自于我們的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(guò)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(lái)自統(tǒng)計(jì)漲落，當(dāng)然也可能來(lái)自于暗物質(zhì)真實(shí)的信號(hào)，現(xiàn)在并不能很好的判斷?？墒侨绻覀兗俣ǔ龃_實(shí)是來(lái)自暗物質(zhì)和氙原子核碰撞的信號(hào)的話，如果能夠建設(shè)比PandaX-II靈敏10倍的探測(cè)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(cè)器本底進(jìn)一步降低，體量升級(jí)7-8倍，建設(shè)一個(gè)4噸級(jí)的探測(cè)器。當(dāng)然形狀和整體的探測(cè)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(cè)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(hào)。如果我們把暗物質(zhì)信號(hào)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(hào)剛好躲在目前探測(cè)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(kāi)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(cè)的靈敏度繼續(xù)降一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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(méi)有被人類(lèi)所掃描。所以我們希望有一天，中國(guó)的科學(xué)家能夠在這些區(qū)域看到暗物質(zhì)的信號(hào)，為人類(lèi)的科學(xué)進(jìn)步做出中國(guó)人不可或缺的貢獻(xiàn)。
當(dāng)然我說(shuō)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(lái)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(lái)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(lái)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(yáng)中微子，但是他更大的貢獻(xiàn)是看見(jiàn)太陽(yáng)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(cè)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(lái)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(guò)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(yáng)中微子的消失之謎，最后發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子并沒(méi)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?cè)跇O深的地下開(kāi)展前沿的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有找到期望的信號(hào)，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(lái)教授在未來(lái)論壇演講整理而來(lái)，有刪減，圖片由作者提供。
劉江來(lái)
未來(lái)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(guó)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(mén)中微子實(shí)驗(yàn)刻度系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。2015年獲國(guó)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(zhuān)項(xiàng)課題一項(xiàng)（2013-2018）
注：本文轉(zhuǎn)載自未來(lái)論壇。
