《科學大家》| 在地下2400米看宇宙

2021年07月30日10:42

  內容來自墨子沙龍“中國的大科學裝置”活動。

  劉江來:上海交通大學物理與天文學院教授,李政道研究所研究員。長期致力於暗物質、中微子實驗領域的前沿研究,目前是PandaX暗物質實驗發言人,大亞灣/江門中微子實驗刻度課題負責人。

  1998年,那時我剛好大學畢業,剛畢業就去了美國,也是在那年聽說了中微子振盪的研究,但我當時卻對標準模型一無所知。後來在美國要選研究方向時,日本的神岡實驗和加拿大的SNO實驗正如火如荼,我就被中微子迷住了,下定決心要從事這種基本粒子相關的研究。雖然最後出於種種原因我的博士期間並沒有從事中微子的研究工作,但是在2006年的時候,博後期間的我義無反顧地選了中微子研究。當時我作為美方的單位,在加州理工參加了王貽芳和曹俊研究員領導的大亞灣實驗。

  剛才曹老師講的小故事,讓我覺得似乎在很多青年老師的成長過程中間,總有這麼一個大咖,給他來了一番促膝長談,然後就改變了他的人生方向。而在我的人生中也有這麼一位。2009年,我還在美國做中微子實驗,錦屏山暗物質實驗的發起人季向東老師給我打了個電話,說將來在錦屏山要發起一個暗物質的實驗,一起回國吧。我為這個實驗的前景和季老師的人格魅力所感召,之後便回到中國開展實驗。這個實驗也是我今天要講的內容,如何在2400米的地下觀察宇宙。雖然這個實驗發起的初始目標是研究暗物質,但也可以用來做中微子的研究。

  這張圖片概括了我們人類共同關心的三個宏觀話題,也很好記,叫“兩暗一黑三起源”。兩暗指暗物質和暗能量。一黑指黑洞,黑洞的研究去年也拿了諾貝爾獎。三起源是哪三大起源問題?就是宇宙起源、天體起源,以及生命起源這些問題。這些問題合起來就是我們人類關心的TOP SECRET。

  而今天我要說的研究,就是“兩暗”中的暗物質。暗物質究竟是什麼?剛才曹俊研究員說中微子是幽靈粒子,宇宙中間無處不在,大爆炸早期就大量產生。可是把所有已知的質子、中子、電子加上中微子的重量全部加起來,它們的質量或能量在宇宙中占的比例非常小。而另外有一種我們看不見的物質被稱為暗物質,它與普通的物質一樣都參與引力相互作用,但占宇宙的比例卻是普通物質的五倍。而科學家們並不知道它是什麼,所以把它叫做暗物質。另外還有一種不是物質,不參與引力相互作用,甚至不能確定是不是真正能量的一種“能量”,被稱為“暗能量”。它是一種宇宙內部的負壓力,用來解釋宇宙加速膨脹現象的一種模型,人們對其知之甚少。

  補充一點,上面這位年長的老師是詹姆斯·皮布爾斯,在2019年獲得了諾貝爾獎,他奠定了標準宇宙學的基礎。如果說標準模型建立了微觀世界的“元素週期表”,那麼詹姆斯·皮布爾斯創立的標準宇宙學則是如今宇宙學的基礎。根據標準宇宙學,物質、暗物質、暗能量三個組分共同作用產生我們今天所見的宇宙。

  暗物質和中微子一樣,都是瀰散在整個宇宙中間、無處不在的。但是由於引力的效應,在宇宙中間某種物質聚集的區域,比如銀河系中,暗物質被引力束縛著。大家應該很熟悉銀河系的結構(左下圖),銀河系有個銀盤,太陽繫在銀河系的第三個懸臂。但銀河系中的這些所有星球,都繞著銀心高速旋轉的。比如太陽繞著銀心以1‰的左右光速旋轉,但我們發現所有星星本身的引力總和,不夠提供其需要的向心力,它一定要在更大的一團物質“暈”中間旋轉,才能得到足夠的引力。所以真正的銀河系的圖像是這個模樣(右下圖),我們所見的銀盤只是很小的一個部分,它被更大的相對更加均勻分佈的暗物質霧霾籠罩著。而這些暗物質產生的引力給予了銀河系旋轉的向心力。

  暗物質“暈”和在其中旋轉的銀河系

  但是暗物質“霧霾”到底跟日常生活中的霧霾,比如上海的PM2.5怎麼比較?這些暗物質霧霾的量遠遠達不到日常生活能夠感知的量。太陽軌道附近每立方釐米的空間中,暗物質的總質量和一個質子的質量是一個數量級的。一克水中所含質子的量級在10的23次方量級,而暗物質與空氣相比大概差了21個量級。而為何暗物質如此低的密度,居然在整個銀河系中扮演如此重要的角色?原因在於暗物質存在的尺度非常大,如此的大尺度中即使瀰散著很小密度的暗物質,也可以驅動整個銀河系的形成和演化。

  剛才介紹的現像已經被相關的天文觀測所證實,但我們卻不知道這樣的參與引力作用的、讓銀河系高速旋轉的暗物質具體是什麼。同時我們也要問另外一個問題,這種物質是否像中微子一樣,也由一個不可分割的最小粒子,組成了這些霧霾?這是我們要研究的內容。當然,這些研究需要很多來自理論家方面的想法,有的理論家告訴我們暗物質可能是一種粒子,也有理論家說暗物質或許是一種波動而不是粒子。但如果它是一種粒子的話,這種粒子除了萬有引力,或許還參與一些其他的相互作用。這樣的話就使得我們可以在太空軌道中發射探測器,來探測未知暗物質粒子和我們已知的可見物質之間的微觀相互作用。

  過去幾十年中逐步建立了一個假說,即暗物質是參與弱相互作用的一種大質量的粒子,叫做弱相互作用重粒子,英文名稱叫WIMP。如果假說成立,我們就可以通過多種手段來搜尋它。我們躲到地底下就是為了尋找這樣的粒子,它擊中地底深處的一個探測器,把探測器內的一個原子中的電子或者原子核撞出去以後,我們就能探測到飛出來的原子核和電子,這叫做所謂的“直接探測”。

  剛才提到說,太陽是繞著銀河系中心高速旋轉,以220km/s(1‰光速)旋轉。暗物質霧霾和普通可見的已知物質之間的相互作用很微弱,同時太陽系雖然在高速旋轉,但是暗物質霧霾卻並未旋轉,所以相對而言,我們的太陽和霧霾之間相對運動,速度大小是太陽本身的旋轉速度,即千分之一的光速。可以想像這樣一個場景,太陽系的旋轉就像是我們在霧霾天的上海街頭行走,太陽“騎著”一個千分之一光速的電瓶車,暗物質霧霾迎面撲來,它攜帶了動量。通過霧霾粒子與靶之間的能動量轉移,就可以來測量暗物質的存在。這個原理就是所謂的暗物質直接探測。

  但這個想法在1985年才被正式提出,具體細節是將暗物質探測器放在非常安靜的環境中,等待幾十年或者更長時間。“守株待兔”等待著碰撞的信號,探測器內的原子是等待著暗物質碰撞的靶子。可以想像,雖然每毫升空間內只有質子重量量級的暗物質粒子存在,但暗物質以千分之一光速相對運動,那麼每秒鍾有十億個暗物質粒子穿過探測器。而同時,探測器內約有十的29次方個原子作為“株”等著暗物質碰撞。這樣一件理論上概率很大的事,按說“兔子”早該撞上了,可直到今天,我們還沒有確鑿證據說明探測到暗物質的存在。今天的實驗結果,能讓我們斷定暗物質每年和每個人的碰撞次數小於一次。

  這個實驗困難之處在於探測器無時無刻不在受到其他因素的干擾。就像大亞灣的探測器,為了躲避環境中放射性的干擾,因而要躲到地底下,放在超純水的水池中間。如果在地表建一個探測器,它就會受到宇宙射線和環境中其他伽馬本底無時無刻的轟炸。我們人體每天和環境射線的碰撞次數大概有十億次,與暗物質碰撞的比例相差十幾個數量級。因此我們不僅需要把探測器放在2400米的山底下,使得大多數宇宙射線能夠被屏蔽,同時還要用屏蔽體把探測器層層包裹,使得外來的伽馬射線不能和探測器內部的原子相互作用。

  上海最高的山是佘山,只有70米左右,顯然上海不適合做這樣的實驗。十幾年前季向東老師激動的找我回國來做這事,是因為國內恰好找到這樣一個寶地,有2400米的岩石埋深可供使用。這個地方在哪兒?在四川橫斷山脈的山區,成都南部直線距離三四百公里左右。西昌是中國的衛星之都,是我們衛星的發射基地之一。西昌附近有一條蜿蜒曲折的金沙江的支流,叫雅礱江,雅礱江水利資源非常豐富,總體自北向南流,但在越過錦屏山的時候,拐了一個“幾”字的彎。這個地方為何會有2400米的山洞?國家為了開發雅礱江的水利資源,在雅礱江上修建了一個全世界最高的大壩,利用它豐富的水利資源來發電。在建壩的過程中,為了運輸需要把“幾”字的錦屏山打穿。沿著17公里的極深隧道走到正中心時,上方有2400米厚的岩石,這是個得天獨厚的環境。並非從山頂專門鑿一個礦井,挖2400米到山底。

  下圖是09年隧道剛剛挖成時,看上去還有點陰暗,但現在已經漂亮很多。

  通往實驗室的隧道

  這是我們2012年的時候首次把個實驗裝置運到錦屏山進行調試的照片。2010年,雅礱公司在完成整個隧道施工之前,為我們捐獻一塊地方用於科學實驗,做成了很小規模的實驗室,而這個很小規模的實驗室就成了中國第一代暗物質實驗的場所。

  從1985年開始,國際上各種各樣的暗物質探測層出不窮,而我國在09年才開始起步。目前的兩個實驗,一個是我們在做的由上海交大牽頭的PandaX實驗,採用氙進行暗物質探測。另外還有一個清華牽頭的實驗叫做CDEX,中文名稱叫盤古,採用另外一種鍺半導體晶體做暗物質探測。兩者之間的探測方向不同,一個是對比較大質量的暗物質進行探測,一個是對比較輕質量的暗物質進行探測。

  我主要介紹PandaX實驗(即熊貓X),叫“熊貓”當然跟實驗地在四川相關,熊貓也是四川的標誌;X是Xenon(氙)元素的英文的首字母,通過氙探測器做粒子和天體物理交叉研究。所以叫做Particle and Astrophysical Xenon,這是PandaX名稱的由來。

  在過去的十幾年中我們完成了兩代實驗。第一代實驗用120公斤液氙做成探測器靶,進行暗物質探測,在2014年的時候結束。第二代升級成580公斤液氙。和大亞灣、江門這樣的大型實驗項目相比,探測器尺度要小得多,580公斤氙探測器才半人大小的,同時氙的密度大概是水的三倍左右,密度相對較大。

  氙是最重的穩定惰性元素,同族最重的元素是氡,但氡三天后就衰變成其他物質,因此不適合做實驗。氙在零下100度時變成液體,把它從氣相變成液相後,可以做成一個體積相對較小,重量相對較大的探測器。

  氙的價格比較昂貴,一公斤的氙市場價格在一萬到一萬五之間浮動。做580公斤這樣的探測器要花不少的資金。它昂貴的原因並不是因為原料難得,而是因為必須通過空氣多次分離才能把惰性元素分離出來,技術相對繁瑣,因而全世界的年產量大概在60噸到80噸。

  為什麼要用氙來做探測器?在氙中,暗物質粒子除了和原子碰撞後產生閃爍光可以被測量到以外,暗物質粒子電離出的一些電子也能在探測器中轉化為光信號,再次被探測到。因而這兩個信號,初始的閃爍光和後續的電子信號結合起來後,可以做成3D照相機,任何一個散射的事件都可以確定它的X、Y、Z三維的位置。探測器做成一個桶狀是出於技術因素考慮,安裝和調試相對容易。

  這個探測器還有其他的功能,比如可以通過測量光信號和電信號兩者之間的分配,甄別信號和本底。本底就是噪聲,而真正的信號是實驗所想要找到的暗物質和原子核碰撞的信號。另外剛才談到了氙本身的密度比較大,密度越大,屏蔽效果就越好。如果探測器外部對內部有一些干擾信號的話,可以通過對每一個事件的位置做3D重建,再把探測器最內部區域的信號拿出來做暗物質分析,而外面就這些厚重的氙屏蔽了外部本底噪聲,所以叫自屏蔽效應。

  我們的合作組,從2009年季向東老師發起以後,一直在穩定擴大。今天這個項目有70多位合作者,在國內有十幾家合作單位。最開始的時候,因為地理位置誘人,美國有一個團隊加入我們。但後來和美國、歐洲逐漸形成激烈競爭的態勢。

  下圖是我們的PandaX實驗裝置。可以看到三米五的裝置寬度,從外側向內很多層都是屏蔽體,有塑料材料的聚乙烯,也有為了擋伽馬射線的鉛。中間的是高純的銅,銅是目前通過電解得到的純度最高的一種元素。高純銅僅僅是探測器的一個絕熱層,零下100度的液體需要在一個真空絕熱的保溫杯裡面才能夠長期穩定地運行,所以需要把高純銅做成屏蔽體,再在其中抽真空。最終這個不鏽鋼的容器中間的580公斤的氙才是我們真正探測暗物質的探測器和靶子。

  PandaX實驗裝置

  這個是我們第一代實驗月餅狀的探測器,相對較扁,高度是15公分,上面和下面的光電倍增管的排列相對比較密集,為了高效率的測量閃爍光子和二次電離產生的光子。

  2010年前後,國際上進行的一系列實驗都說似乎找到了暗物質存在的信號。這張圖上的每一個圈代表著暗物質可能存在的區域。但科學上每一個真正的發現,需要很多實驗交叉驗證。

  首先需要質疑的第一個問題就是,這些圈兒在這張圖上並不重疊,這些實驗結果之間並不自洽。圖的縱軸是暗物質和我們已知物質碰撞的頻率,也就是暗物質粒子和我們普通物質之間相互作用的強度。越強的相互作用,碰撞的頻率越大,就能夠更早地找到暗物質。但是實驗中並沒有找到暗物質,就說明每年的碰撞次數很少。

  圖上橫軸是暗物質的質量,橫軸的最左邊大概是一個質子質量,橫軸的最右邊是100個質子質量,我們在這個範圍搜尋暗物質。一期實驗並沒有發現暗物質的蹤跡,而我們實驗的靈敏度又超過了所有這些國際上發現暗物質實驗的蹤跡,就說明我們的結果跟國際上是不相符的。當然,不僅我們沒有發現暗物質,其他還有好幾個靈敏實驗的結果都沒有發現,所以在那之後2014年國際公認,這些所謂的疑似事例,或許是某種未知的本底噪音信號,或者是由於一些統計的漲落引起。

  這個是我們在潔淨間中研製暗物質探測器的照片。照片里的我們都穿著防護服,好像很嚇人的樣子,似乎這個探測器在發射什麼放射性射線來傷害我們身體,但實際上防護服的作用是防止我們人體的灰塵落入探測器中帶來汙染。

  09年到14年我們起步的時候踩過無數的坑,探測器真正要在實驗里用起來的話,要解決很多具體的問題。一代的探測器實驗成功後,我覺得後面要升級二代探測器的話就是小菜一碟,可實際情況並非如此。2014年,120公斤的實驗升級到第二代580公斤實驗,好像就只是把探測器的高度從15公分拉到了60公分。一般來說裝備一個探測器,從到最終成型,需要一到兩年的時間。但實際上我們遇到了一些之前沒有遇到的問題。

  有一個最重要的問題,是我們的探測器遇到了一種來自於探測器未知的汙染。空氣中還含有少量氪氣,是比氙輕一族的稀有氣體。空氣中有百萬分之一的組分是氪氣。氪氣本來是無放射性的惰性氣體,可是在二戰以後,人工核燃料、做裂變生成了氪-85這種放射性同位素。雖然這種同位素釋放的含量極其微小,不會為我們的身體帶來危害,但足以對我們的探測器產生非常大的干擾。

  剛才提到,對於氙探測器來說,外部的本底信號可以通過挑選內部純淨的事例進行篩選。但是如果少量的氪-85融到探測器內部,而氪-85又有很長的半衰期,因此就沒有辦法切出來一個乾淨的區域做暗物質的搜尋。所以沒辦法,探測器已經建成,中間卻混了氪該怎麼辦?就需要另想辦法把它給去除。

  那麼可以採用的方法是什麼?所有的氙、氪都是從空氣中分離的,根據不同物質之間的沸點不同,可以通過蒸餾的方法進行分離。而氙、氪之間的熔沸點不一樣,利用低溫精餾,可以將二者分離。所以我們就自製了一個精餾塔,把氪氣的含量降到十億分之一的量級,才能使我們探測器正常地運行。

  探測器本來已經在錦屏山安裝好了,但我們依然只能把探測器全部的氙全部回收,運回交大進行精餾。精餾完後又在過年期間把精餾後的氙運回錦屏山,然後開展運行。在三月和六月期間,我們有了一次穩定的運行。這次穩定的運行可以看出,氪的本底但是降到之前的十分之一。

  上圖就是我們做暗物質搜尋的實驗結果,每一個點代表一個事件,紅線上的這些黑點並不是暗物質,而是想排除掉的本底噪聲。這張圖上紅線以下的更可能是暗物質。圖中紅線以下有一個綠顏色的點,它的能量位置被記錄下來,但也只是暗物質候選,還要做分析,比如說這個事件到底有多可能是本底泄漏下來的。通過分析,我們發現這個點更可能是來自本底泄漏,而不是來自暗物質。所以我們使用一個更靈敏的探測器,又找了三個月,但還是沒有找到暗物質的蹤跡。

  我們把氙從錦屏山運回上海這個過程中,氙在地表經受了三個月的宇宙線照射,一部分氙被激發成同位素氙-127,它的半衰期只有35天,可以等它慢慢衰變以後開始做實驗。但我們實驗沒有等這麼久,因而中間摻雜了一些氙-127造成的汙染。這張圖上看得更清楚了,能譜中出現了一個氙-127的峰。但是無論如何,我們這個結果還是當時國際上得到的對暗物質最靈敏的探測。相比美國的實驗,我們的靈敏度提升了兩倍。雖然最終沒有找到,卻能給出暗物質作用強度的上限。

  再講一個小故事,我們知道氫元素中間有氫和氘都是穩定的同位素,SNO實驗用的就是氘水D2O。還有一種一個質子、兩個中子這樣的同位素叫做氚,往往存在於核反應堆中。如果排放氚水到海水中間,可能會讓很多人擔心其對環境的危害。

  剛才上面那些黑點如何被判斷成是本底?就需要把一些人為的本底摻到探測器中間,得到本地的信號特徵,這種做法叫本底刻度,此時氚就成了一個好東西了。因為氚有14天的半衰期,而衰變的能量恰好在暗物質探測的能區。如果我們把少量的氚融到探測器中間,就能對本底的特徵做個特別好的刻度。當時我們從國外進口了一種核醫學中用的氚化甲烷,即把甲烷中少量的氫換成了氚,雖然化學性質相同,卻具有放射性。摻到探測器中,做刻度本底刻度並無問題,讓我們理解清楚探測器的本底的分佈。但在去除氚時,我們預想氚是活性氣體,僅通過化學方式便能輕易去除。但實際情況卻是去除到一定程度後,無法再使其濃度降低。最後沒有辦法,所以我們再一次利用了精餾的方式。利用其熔沸點不同,又做了一次精餾的運行。最後把氚的本底降低了100倍,把探測器拯救回來,能夠正常運行。

  這時候氚和氙的摩爾比大概是10的-24次方,這個是顯著的要高於日本福島排到海水中間氚的含量。我們把它提純低到什麼程度?探測器中賸餘的氚全部加在一起的重量小於探測器中暗物質的重量。

  提純之後我們又做了第二次曝光,第二次曝光我們還是看到了一點點氚和氙-127的信號。上面這些黑點依舊是我們不想要的,根據下面這條紅線去找暗物質,這次更慘,實驗的結果是一個事例都沒發現。

  圖中紅顏色這條線就是我們中國的實驗所得到的結果,黑和紫色的線就是歐洲和美國實驗相比較的結果。

  再回到其他手段暗物質探測,悟空衛星採取的是暗物質間接探測,尋找銀河系中暗物質湮滅以後產生的高能信號。這些高能信號可以在太空中做一個探測衛星進行尋找。

  常進院士領導的團隊在2017年,於質子質量1400倍左右的區間發現一個超出。理論家就做了很多暗物質模型可以解釋這樣的現象。

  我們下一代實驗就在一個更大的空間,錦屏二期實驗室開展了。這個地方離我們之前做的小實驗室一點幾公里,但還是在錦屏山隧道裡面。但我們有了一個大很多的B2實驗廳開展實驗。我們要把580公斤的氙要升級到四噸,其中依然有無比多的技術問題需要解決。這個探測器的許多模塊已經成功研製,比如外圍的屏蔽體等。目前整個探測器設計採用超純水作為屏蔽體。探測器中間的金屬容器取代了高純銅的真空腔,裡面還有一個高純的不鏽鋼的容器來盛四噸的液氙。這個實驗有四噸的靈敏靶,對光子或者電子更加敏感,所以我們能測比較寬的能區,同時對每一個事件可以做釐米級的位置的重建。還可以進行除了暗物質以外,如中微子的研究等。

  最後我就總結一下,剛才講了很多。

  19世紀末科學家認為宇宙中間充斥著一種叫做“以太”的物質,是光傳播的媒介。邁克爾遜和莫雷設計了一種高精度的光學的干涉儀,今天在很多領域中被廣泛應用。邁克爾遜干涉儀沒有測到地球和“以太”之間的相互運動,顛覆了所謂的“以太”學說,但這個顛覆催生了狹義相對論,愛因斯坦用狹義相對論解釋了光速的不變性,也催生了現代的物理學。所以可以看到科學的探索本身,不管科學實驗是否有新的發現,都具有重大的意義。暗物質可以類比成今天的“新以太”。因此不論我們是否找到它,尋找本身都是對科學和技術最前沿的一種偉大探索,對我們人類也將產生深遠的影響。探索本身就是科學研究的一個意義。

  演講者:劉江來

  文字整理:John

  排版:貓擼火鍋

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