手机版游戏赌博:银河系为何能高速旋转?找到宇宙幽灵暗物质就能解答

银河系为何能高速旋转?找到宇宙幽灵暗物质就能解答
2020年06月04日 07:18 科学大家

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  出品:新浪科技《科学大家》、未来论坛

  主讲嘉宾:刘江来,手机版游戏赌博:上海交通大学物理与天文学院教授,未来论坛青创联盟成员

  2019年,诺贝尔物理学奖分别授予了两个领域:一个是行星动力学的领域,另外一个是给了宇宙学。宇宙学的获奖者的名字叫詹姆斯·皮布尔斯,他从60年代开始,对宇宙学做出了一系列开创性的工作,用一个自洽、完整的精确描述了宇宙从最早的大爆炸一直到今天的演化历史。他把微观的粒子物理和宏观的宇宙学联系在一起。根据这个“物理宇宙学模型”,当前占宇宙组分27%的看不见的暗物质,是宇宙演化的必要因素,甚至可以说是推动了宇宙的演化进程。

  银河系为何能高速旋转?

  为了解释银河系的银盘为何能够如此高速旋转,需要用一个巨大的暗物质晕笼罩着银河系,中间蕴藏着的暗物质就给银河系中高速旋转的星系提供了引力势能。如果我们把每颗星(包括太阳系)绕着银河系中心的旋转都观测出来的话,就能把暗物质的分布推算出来。

  我们今天知道,在太阳轨道附近暗物质的密度,大约是1/3个质子的质量每毫升!质子的质量是10的负27次方千克。暗物质的密度比空气密度要低21个数量级,1后面要跟21个零!

  你可能会问,这么稀薄的暗物质,比空气低这么多数量级,为什么会影响银河系的演化呢?答案是这样的,这样稀薄的暗物质对小尺度肯定没有影响,但是当它聚集到很大、大于银河系的尺度,就可以像粘合剂一样把银河系粘在一起,宇宙才能够形成今天这个样子。

  今天,我们真正想了解的并不是暗物质在天文学、宇宙中的表象,我们更想理解暗物质到底是什么?就像我们已知的所有东西,人也好、动物也好,细菌也好,病毒也好,不停往下分,分到最后的话,最后就分成所谓的基本粒子,比如电子、质子这些了。每一个电子长得一模一样,虽然质子并不是最基本的,质子下面还有夸克,但是组成它们的上夸克总是一样的,下夸克总是一样的,也就是存在最小的、不可分割的单元。

  给暗物质画“肖像”

  同样,暗物质本质的研究,就是要给一个最不可分割的暗物质基本粒子来画肖像,了解它的质量是什么样、电荷是什么样(应该为零)、自旋是什么、相互作用的强度是什么,这就是我们想做的研究。

  如果暗物质和普通物质之间,除了引力相互作用之外还有一种微观的相互作用,比如上世纪70年代就开始流行的弱相互作用重粒子(WIMP)的理论,这种暗物质的粒子就可以在实验室更加精细的研究。

  总的来说有实验上有三种主要手段,一种叫做直接碰撞;第二种是测量他们被“破坏”之后的产物;第三种是在很高能的加速器上把暗物质产生出来,我们通常称为这直接探测、间接探测和对撞机探测。

  今天最主要的部分是讲直接探测。直接探测的原理还是要回到我们上文银河系的图像,即整个银河系是被暗物质的晕包着。

  你把暗物质晕可以想象成包着银河系很大的“雾霾”,太阳系就像骑着摩托车的人一样。摩托车以高速相对“雾霾”前进,这个速度大概是光速的千分之一。这样“雾霾”粒子就对着骑摩托车的人有很大的动量。因此对于地球上的探测器,暗物质粒子携带着动量和能量,可以通过普通物质受到撞击以后得到的反冲来测量这种暗物质。

  这个简单的原理是1985年由Witten和Goodman提出的想法,寻找暗物质和普通物质原子核相互碰撞以后原子核被踢出去的信号。但如果你发现了这种非常微弱的碰撞之后,你怎么就能说这个信号就是暗物质造成的呢?这就是实验家要做的事,他们不是仅仅在等,他们需要理解什么样的信号是真正来自暗物质和普通物质的碰撞!

  那暗物质和普通物质容易碰撞吗?一定很难,要不然今天早已经找到了!可是为什么这么难,就比较难理解了。每一秒钟到底有多少暗物质穿过我们呢?可以做一个数量级估算。因为我们知道暗物质的密度,知道它们的速度,这样就可以算出来,每秒钟有十亿个暗物质穿过人的身体。而每个人身体中间大概有10到29次方个原子,也有同样多的原子核。这两个数乘在一起,暗物质应当很容易撞到普通物质。可今天我们知道,每年这样的暗物质和每个人碰撞的次数是小于一次,这不是理论推断,而是实验结果!

  我们没有看到暗物质,是因为它们同普通物质的相互作用非常非常的微弱!这么微弱的相互作用,寻找是非常困难的。

  今天我们所处在的地表环境,身体和环境中间的宇宙射线、伽玛射线等每天都要碰撞十亿次,所以和一年一次的暗物质碰撞事件来比,这些碰撞多得多。因此我们要想办法把探测器藏起来,藏到干扰因素很低的环境中。

  去除宇宙射线干扰没有很聪明的办法。目前测暗物质的实验都躲在地底下,通过地表的岩石把来自宇宙中间的高能带电粒子挡住。而对于环境中的伽玛射线,这些射线无处不有,在极深的地下也有,我们需要把探测器层层包裹起来,用熟知的铅、铜材料把伽玛射线挡住。

  在过去的十年间,中国在暗物质探测方面有比较快的发展,我国的锦屏地下实验室为这个领域提供了绝佳的机遇。

  “熊猫”实验:直接探测暗物质

  2009年,在雅砻水电和清华大学的共同推动下,在锦屏隧道的中间扩挖了一个实验室,实验室到山顶的垂直距离是两千四百米,叫中国锦屏地下实验室。在此之后,中国有了自己的地下实验室,而且这个深地实验室是全世界最深的。

  有了这个地下实验室,中国科学家开始了第一代暗物质实验。其中由上海交大牵头的实验叫“熊猫”实验,或者叫PandaX实验,使用液氙这种靶材料,来探测比较重质量的暗物质。

  另外一个是清华大学牵头的,叫做CDEX实验,使用非常纯的锗作为靶材料来探测比较轻质量的暗物质。两个实验都在过去的十年中间有比较快的发展。

  今天我来重点给大家介绍一下,我所参与的PandaX的实验。之所以起这个名字,某种意义上是因为实验身处于四川,Panda又是四川的吉祥物。但是名字的真正意义是几个英文词的组合,Particle AND Astrophysical(粒子和天体物理,因为暗物质本身既是基本粒子particle的问题也是一个天体物理astrophysical的问题),最后这个X就是氙元素英文Xenon的简写。

  我们在过去十年中已经成功的研制并且运行两代实验,第一代实验叫做PandaX-I,左图上看到和一个人比较的探测器,它是个120公斤级的暗物质探测器。2014年开始我们升级到第二代580公斤级暗物质探测器叫PandaX-II。后面我会对这两个实验做一个简介。

  实验所用的氙是已知最重的、稳定的惰性气体。还有更重的一种叫氡,氡是不稳定的,最长寿命的氡只活四天,半衰期就到了,就会衰变。氙首先它无色无味,在液态的时候,密度大概是水的三倍。氙在我们的实验中是探测暗物质的靶子,必须有大量的氙才能探测暗物质。

  探测器的原理也相对简单,让氙在圆柱体的容器中间液化。需要能够“看到”暗物质和氙原子核碰撞之后,氙原子核被踢出去携带的微弱信号。信号的能量往往是通过光子和电子两种形式携带的。

  因此你要想一个办法,可以把光子和电子都“看见”。光子相对好办,我刚才说了氙是一种无色无味透明的液体,光子在氙中间可以传播,假如我把圆柱体的上下放上可以探测非常微弱的光的器件组成的阵列,就可以把光子抓到。

  电子怎么办呢,氙本身是惰性气体,所以电子在氙中间被电离出来之后,其他的氙原子并不会把电子吃掉。如果探测器上加上一个电场以后,这些电子会在电场下漂移。当它漂移到液体和气体的界面,这时候要用一个更强的电场,把电子拽出去,再把电子转化为更多的光子,这时候这些光子又会被探测器上下的阵列探测到。由于靶子是液氙,同时电子漂到气液二相的界面的时候才会产生二次发光,这个技术被称为两相型液氙技术。这样探测器比较容易代代升级做到很大。

  这样的探测器可以将每一个碰撞事例的三维位置XYZ重建出来,像是一个三维的照相机。同时,当你能够对光子和电子进行同时测量,它会对我们所说的暗物质碰撞的信号同其他的假信号(本底)有很好的区分。最后由于氙本身的比重很重,是水的三倍,因此外围液氙对内层液氙做了屏蔽,可以有效的降低实验的本底噪声。

  上图是锦屏实验室里PandaX装置从上往下看的整体图片。这里面并看不到探测器,看到的只是屏蔽体。总体的宽度是3.5米,从外到内有不同的颜色,白色、黑色、白色,分别是聚乙烯、铅、再加一层聚乙烯。聚乙烯中富含质子,质子的重量和中子接近,所以环境中的中子碰到聚乙烯的质子以后很快被挡住,是非常好的中子屏蔽体。铅能够很有效的把伽玛射线挡住。

  再往里面看,这一层金属颜色就无氧铜的屏蔽体。无氧铜是非常纯净的材料,本身放射性极低,同时对伽玛射线有很强的屏蔽能力。我们最核心的零下负100度的液氙探测器,放置在一个不锈钢容器中,如果它直接和空气接触,会有巨大漏热,而且表面上会结冰。为了隔绝和空气的热传导,探测器容器放置在一个无氧铜做成的真空罩里(照片最内层的圆柱体),无氧铜既是伽玛射线的屏蔽体,也是真空绝热层。

  这张照片是我们建设首期的PandaX-I的探测器,一个扁平状的圆柱体,高度约是15公分,直径是60公分。解剖开来,在探测器的顶端和低端分别有两个光电探测阵列来观察液氙中产生的光子。我们花了五年时间直到2014年才把探测器建成。

  锦屏第一代PandaX一期的探测器得到了哪些研究成果呢?首先,我们没有并没有看到暗物质。很多人会问,没有看到暗物质是不是说明实验是零结果,或者是属于失败的实验?这个理解是不对的。打一个比方,当你用望远镜看一个遥远的区域,在区域中间相机曝光很长时间之后,没有看到星星,并不能说黑色区域没有星星,只能说根据这么长时间的曝光量,即使那边有星星,这些星星的亮度一定低于某一个值。这里也是一样,PandaX一期的实验没有看到暗物质信号,不能说明没有暗物质,但可以对暗物质和普通物质碰撞的机率、或者相互作用的强度设一个上限。上限指的是它不可能高于某一个值,高于这个值就应该能看见。

  这张图体现出的就是这样一个实验结果。纵轴就是相互作用强度,横轴是暗物质的质量,红颜色以上的区域被排除。红颜色以上的区域中有很多圈,这些圈是什么呢?在十年前,国际上有很多实验,在圈圈的区域发现了一些暗物质疑似的信号,当时众说纷纭,不知是不是真实的暗物质信号。PandaX一期的实验做出的结果,就把这些疑似信号全部排除。

  虽然这张图上也有其他实验得到的排除线,能够把疑似信号全部排除也是很重要的科学贡献。我们的结果出来之后,国际上非常著名的《科学》杂志以“中国团队迎头赶上为题”为我们专门写了一篇报道。

  我们在国际上产生更加重要影响力的是第二代PandaX-II二期实验。在首期实验结束之后,我们很快进入到升级工作。2015年开始,我们从120公斤升级到580公斤,和美国、意大利的实验进行竞争。安装探测器必须在非常洁净的环境下,我们穿的洁净服并不担心有病毒或者其他什么,而是人身上的汗液或者其他的东西,如果污染了探测器表面以后,都会对本底产生非常大的影响。学生都很喜欢安装探测器,设计完以后花几个月时间拼装起来很有成就感。在2015年的年初,我们很快把探测器从120公斤升级到580公斤的体量。

  一波三折的暗物质探测实验

  作为一个真正实验物理学家开始,你会发现其实很多事情是事与愿违的。2015年全年,我们对安装好的探测器开始了非常漫长的调试。我们在研究的过程中,几乎所有时间都用来解决实际的问题。就像破案一样,发现一个问题,解决一个问题,再发现一个新问题,再解决一个新问题,每天都是这样。有时候觉得有趣,有时候觉得非常有挫折感,因为问题好像总是解决不完。具体今天我举例只能说沧海一粟,其实的困难更多。

  终于在2015年底,我们的实验准备完成,非常兴奋地开始把探测器里灌装液氙,等待到可以运行探测器也是很漫长的过程。可是我们稳定运行十几天以后,开始采集数据,突然发现有新的本底噪音,不像前面发现的问题都是技术上的问题,这是个物理本底!有一种杂质跑到探测器里,这种杂质是一种稀有的放射性气体叫做氪。氦氖氩氪氙,氪比氙要高一代。我刚才说过,氙本身是稳定的,那氪也应该是稳定的,空气中间约有百万分之一的氪气。可是很有意思的是,在人类进入核时代以后,核武器、当然和平应用的核电站等裂变中会产生一些放射性的元素,比如说氪85,也被释放到空气中。当然这些氪85是极其微量的,它占天然氪的大约千亿分之一!氪85不稳定,半衰期大概是十年。可是即使这么微量的氪,如果少量的泄漏到探测器中,也会产生非常讨厌的本底信号。

  我们来看一下上图,这张图就是19天以后在探测器看到实际的事例分布图。这张图的纵轴是事件发生在探测器中有多深,横轴是事例在探测器中间分布X平方加Y平方(半径的平方)。我们说过,液氙探测器本身是非常好的自屏蔽体,内层的氙会被外层的保护住,所以中间这个区域应该是很干净。但假如碰撞事件均匀分布,那所有的事例的点,在这张图上就应该是很均匀的。我们在19天后看到的这些均匀分布的本底,原因是少量的氪85漏到了液氙中间,像小鱼一样非常快乐在氙中游泳,所以很快就分布均匀了。这些事例不像从外面向里面打的伽玛射线,可以被外层的氙挡住。这是一种更加头疼的本底。

  大家高中的时候都学过化学,我高中学化学不好,但是我记得非常深刻,酒精和水在一起是可以分离的。工业称这个为空分,专业的说法叫做精馏,就是对不同沸点的液体进行分离。我们要想把微量的氪从氙中间提取出来,最后必须依赖这种物理手段。但是我们要求的精度要比空分厂高得多,对氪气的要求要降到氙气的十亿分之一,比刚才说的百万分之一低了六个数量级,因此这个装置必须要自己研制。

  为了做这个分离,我们在交大研制了专门的空分装置,把氙气全部从锦屏运回上海,在上海精馏之后又运回锦屏。折腾到2016年的3月到6月,才开始进行稳定的暗物质曝光。天文学望远镜的曝光就是盯着一个地方,一动不动看很长的时间。暗物质的曝光也是这样,探测器非常稳定的运行,等待暗物质的信号。

  2016年,我们曝光80天以后,把“胶片”拿出来,长的就是这个样子。这张图每个点都是我们看到最后筛选出来的碰撞事例,纵轴是我们测量到的电子和光子的比例,横轴基本上就测量到的反冲能量。它的分布如果仔细看,好像是在中间的分布更密一些,两边的分布更疏。你要从这张图里寻找暗物质的存在。

  我先讲中间密两边疏的道理。把所有事件的分布画成能量分布图,你就会发现中间多出来一个峰。经过研究,我们发现它是来自于另一种杂质,这种杂质不再是氪,而是来自于氙的一种放射性同位素叫氙127!你可能会问,氙不是稳定的吗?氙127在常态的氙中间不会有,可是当氙气受到宇宙射线的辐照以后,会产生氙127放射性杂质,大概有35天的半衰期。

  那氙127哪里来的?原来我们把氙从锦屏运回上海、回来的路途中,因为过程都是在地表,所以在路上、在精馏的过程中氙气受到宇宙射线的辐射被活化了,产生了少量的氙127的原子。好在氙127等待35天就可以衰变掉,不像前面的氪85,十年的半衰期,你不可能等十年、二十年以后再做实验。所以我们等了一阵以后,就可以利用数据来进行暗物质搜寻了。还好这个问题不致命,我们也买了个非常好的教训。

  另外一个问题,我刚才说怎样从这些事例中,寻找哪些是真正的暗物质,哪些是假的信号?这时候我们就开展一个所谓的刻度研究。什么是刻度?刻度就是拿到一些已知性质的粒子打到探测器里,研究事件的分布是怎样。

  伽玛射线本底打到探测器会把电子踢出去;而我们的暗物质打到探测器中间的话,它会把原子核踢出去。被踢出去的电子和被踢出去的原子核,能够电离电子的能力是不一样的。由于我们同时能够测到电子信号和光子信号,那两种事例的电子和光子的信号比值也是不一样的。

  可是我们怎么刻度暗物质的信号呢?有一种方法,用中子去辐照暗物质探测器。由于中子和原子核有很强的相互作用,也会把一些氙原子核踢出去,碰撞事例暗物质踢出去氙核的特征非常相像。

  上图就显示我们用两种不同的刻度方式。上面黑颜色的点,是我们将探测器中注入的微量的氚把电子踢出去的信号。氚是氢的一种同位素,普通氢元素是一个质子,没有中子。氢还有一种同位素叫氘,就是把氢原子中间的质子再加上一个中子。再加一个中子,一个质子两个中子的原子核就叫做氚了。氚是不稳定的同位素,会产生贝塔衰变,中间的中子会转化成质子,放出低能的电子。低能的电子分布在探测器里,就非常类似于我们的实际的伽马本底信号了。另外一些红点,就是中子打出核反冲信号,和暗物质信号长得一样。你可以看到上下两种颜色之间有很大的区分度,如果我在红颜色的点中央画出一个红线,在红线以下如果有疑似事例的出现,就有可能是暗物质产生的真正信号。

  回到刚才的图。这张图红线以下的区域,就是搜寻暗物质信号的区域。我们发现有一个数据点!能不能说我发现了暗物质呢?不能的。严格来说你要问,正常的本底信号有多大的可能性也会落到红线以下。然后要看是否漏下来的点超出我们对本底的预期。

  通过计算,我们预期的本底泄漏是2.5个,比实际测量到的1个事例还要更高(当然这是正常的涨落)。因此我们等待了80天后的曝光,并没有看到暗物质。正如我前面所说的,这个结果可以转化成这张图上红颜色的曲线,这条线以上的区域就被排除。这也是2016年国际上对暗物质和普通物质相互作用最强的限制。我们第一次能够走到国际的最前沿,扫描了之前别的实验从未看过的区域,把很大的参数空间排除掉。我们的结果在物理学顶级杂志《物理学评论快报》上发表,他们把我们实验的照片作为当期的封面。

  再讲一个有点讽刺意味的小故事。上文说了,为了刻度本底,我们把探测器中注入了微量的氚。原本我们希望把探测器刻度完以后,因为氚是活性的,不是惰性气体,原则上可以通过热化学方式很好去除。上图体现的就是这个过程,红颜色的点都是由于氚注入以后产生的事例率,我们尽了很大努力,但不幸的是最终我们只能达到原来探测器本底水平的十倍左右。氚跟我刚才讲氪85非常像,去除不掉便会在探测器像小鱼一样的游,产生均匀分布的本底。氚就是我们探测器中间的“冠状病毒”,非常棘手。

  终于,在热化学提纯的方法失效后,我们在2017年年初决定做第二次对探测器的精馏。吸取了上一轮的教训,我们把精馏装置直接移到地下实验室,没有从上海和锦屏之间运输,避免探测器遭受宇宙射线的辐照。精馏的过程跨过春节,大年初一,同学们还在实验室里煮饺子。我们经过这段艰苦的历程,把讨厌的氚本底降低一百倍,同时把探测器中间氪气的本底进一步降低,这是非常重要的成功。

  在这之后,我们在2017年又采集了一次将近80天的数据。这张图在红色的数据点之后,蓝色的框里面的便是2017年精馏完后我们再采集的数据。可以看到,事例率不仅远远低于注入氚以后的本底率,也比2016年暗物质数据的本底还低。

  我们的数据选择的过程,可以给你一个数量级的感受。每天我们探测器中所有能够被记录下来的事例大约35万个。而每天通过各种筛选条件被挑选出来的事例大约仅仅有两个,就是刚才蓝框中的事例。每天两个本底和最终一年要找到少于一个事例之间还是有很大的差距,这个本底的压低就要靠我们刚才刻度得到的那条红线来完成,只有核反冲事例才是暗物质候选者。2017年新的数据,在能量看是这样的,还有一点来自于氙127,但是已经衰变得很低。低能区域三角形的分布来自于一些微量的未被完全去除的氚。我们的本底比2016年降了2.5倍!

  这张图是2017年数据两维的分布,大多数点分布在比较高的区域,我们要在红颜色的线以下找暗物质,非常遗憾我们一个没有发现。也就是说,我们每天记录35万个事例,分析以后每天筛选出两个事例进行最后的分析,最后在红颜色这条线以下,80天没有看到一个事例!但这也正体现了我们实验的灵敏度。

  这张图是我们2017年最终的结果,超越2016年结果限制三倍,也超越当时国际上最大规模的欧洲XENON1T探测器的结果。这张图上的红色以上的区域就是实验所排除的所有区域,是国际上最强的。

  大家有看过生活大爆炸的话,里面有一个非常聪明的男主角,中文翻译叫做谢耳朵,其实他的原形,是1979年的诺贝尔奖获得者叫做格拉肖,他是粒子物理标准模型的奠基人之一。我们的成果很有幸得到了“谢耳朵”的高度评价,说“中国在世界最深的实验室里建设PandaX,已经进入世界暗物质探测的国际竞赛,而且取得国际上最强对暗物质的限制。”

  你可能要问从2017年到今天到底发生了什么呢?PandaX二期继续采集数据,在此之后一共积累大概四百多天的数据,其中有一些是暗物质的曝光,有一些是刻度研究,有一些是我们对探测器技术的专题研究。在去年的七月份,我们正式把探测器退役。

  这四百多天数据中暗物质曝光的数据,我们在实验中间采取所谓“盲分析”的方法。什么意思呢?为了避免分析数据的主观性(这个事例我喜欢,这个事例我不喜欢),只有当把所有的选择条件都确定好,在分析的最后一步,再看曝光出来的数据。本来我们计划是上个周末把黑盒子打开的,由于一些原因发现分析还未成熟,所以大家还要再等一等。近期我们将公布PandaX二期最后曝光的数据,大家可以拭目以待。

  我们也在进行更大规模的实验规划,希望对暗物质进行更加灵敏地探测。我们国家对这方面的研究也非常支持。刚才我讲的PandaX一期和二期的实验,都是在比较狭小的锦屏一期实验室里进行的。从2015年开始,锦屏实验室开始扩容。未来的PandaX实验会在新的地方,锦屏二期实验室的B2大厅内,有更大的实验空间。锦屏实验室二期的建设也被国家发改委正式在“十三五”立项。

  间接探测暗物质

  暗物质间接探测也有重要的科学意义。银河系中心有一些暗物质和暗物质粒子碰撞以后,互相湮灭以后产生高能的粒子如果被探测器看到,也可以间接的说明暗物质的存在。我国2015年12月份在西昌升空发射的“悟空号”卫星,就是为了做这样的探测,由我国紫金山天文台的常进院士领衔。

  这个探测器有非常高的能量覆盖范围,很多性能方面国际领先。2017年,悟空卫星发表了很重要的结果,在来自宇宙的高能电子分布上,在质子质量1400倍左右,发现了一些有趣的结构。这些结构到底来自什么,现在我们并不是特别清楚,但是很多理论学家认为是来自银河系暗物质湮灭的信号。

  这能够说明什么问题呢?很多理论学家们,包括我的一些好朋友,都做了深入的研究。他们的预期是,如果用暗物质来合理的解释悟空号的结果,则意味着暗物质和普通物质的相互作用的强度比目前实验的灵敏度低十倍。换句话说,再提高十倍灵敏度我们就有可能看到暗物质和普通物质碰撞的信号了!这对于我们来说是非常激动人心的预言。我国间接探测的实验,如果有朝一日能够和直接探测实验相互印证,岂不是绝妙!

  另外,一个近期的进展来自于我们的国际竞争对手。意大利的XENON1T实验2018年一年曝光量的灵敏度已经超过PandaX-II。

  这张图显示XENON1T实验中事件分布。非常有意思的是,这张图比较靠下的位置,好像看到微弱的超出。微弱的超出可能是来自统计涨落,当然也可能来自于暗物质真实的信号,现在并不能很好的判断。可是如果我们假定超出确实是来自暗物质和氙原子核碰撞的信号的话,如果能够建设比PandaX-II灵敏10倍的探测器,运行两年将有可能发现9-10个事例!

  因此我们实验下一步计划就是把PandaX-II的探测器本底进一步降低,体量升级7-8倍,建设一个4吨级的探测器。当然形状和整体的探测原理非常相似,技术上做了很多改进。

  预期这样的探测器能够达到什么样的性能呢?上图显示的是模拟计算的预期,黑色的点是环境中已知的本底信号。如果我们把暗物质信号掺进去,除了黑点以外,在图的左下方出现一系列红色的点。假如暗物质信号刚好躲在目前探测器灵敏度这条线下面一点,在实验一年后,就有可能出现这张图的情况,就是在本底之上,看到一些非常显著的超出,也就意味着暗物质被找到了!

  在这个目的的驱使下,我们实验团队一直在紧锣密鼓的开展工作, 我们期望在一系列的努力之下,能够很快把目前探测的灵敏度继续降一个数量级。

  上图除了现在已知的排除线以外,这些形状有点奇怪的圈并不是疑似事例,而是理论家朋友告诉我们暗物质有可能存在的区间。有一些区域已经被排除,可是下面还有非常大的区间还没有被人类所扫描。所以我们希望有一天,中国的科学家能够在这些区域看到暗物质的信号,为人类的科学进步做出中国人不可或缺的贡献。

  当然我说的都是科学计划的“希望值”,但是真实的情况可能不是这样,科学的发现经常并不遵守原来的计划。可以用近期几个在地下做中微子实验重要的科学成果来举例子。2002年诺贝尔物理奖授予两个物理学家,一个叫小柴昌俊,另外一个叫雷蒙德·戴维斯。小柴昌俊原本实验设计的目标是研究质子的衰变,可是他的实验刚刚运行一年不到,他就发现来自超新星爆发的中微子。戴维斯也是这样,当时的目标是想找太阳中微子,但是他更大的贡献是看见太阳中微子比预期的中微子少了三倍!

  2015年诺贝尔奖又继续授予了深地中微子探测的科学家,小柴昌俊的学生梶田隆章,想继续从事他导师质子衰变研究,中间有一种重要的本底是来自大气的中微子,可是他发现大气中微子的振荡的现象,也就是一定入射角度的中微子有强烈的消失。另外一个加拿大科学家叫麦克唐纳,他的目标也是通过加拿大极深地下的实验室的实验理解戴维斯看到的太阳中微子的消失之谜,最后发现太阳中微子并没有消失,而是产生了振荡,从一种中微子变成另外一种中微子。这几个发现的共同点都是原本是想找到一个物理目标,却导致了预期之外的、更加激动人心的发现。

  因此,即便我们在极深的地下开展前沿的实验,没有找到期望的信号,但是意想不到的发现岂不是更让人激动!

  注:本文根据刘江来教授在未来论坛演讲整理而来,有删减,图片由作者提供。

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