暗物质探测开始“暗中较量” 美LZ项目加快建造进程

2017年02月28日 01:24 来源:科技日报
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  LZ实验探测装置建在斯坦福大学地下研究设施中。

  LZ设计原理是,当暗物质粒子与液氙原子碰撞时,液氙腔内的电子会向顶部飘移,迅速产生闪光。这些携带暗物质粒子信号的光脉冲,会被排列在大型容器内的500个光扩增管捕获。

  今日视点

  号称在世界三大直接探测暗物质粒子实验中灵敏度最高,有望最先捕获暗物质中弱相互作用重粒子(WIMPs)的美国LUX-ZEPLIN(LZ)实验近日宣布重大进展:该项目顺利通过美国能源部(DOE)第三阶段评审,现有技术设计方案被确定为最终版本,并正式开始建造工作。

  暗物质在宇宙成分中占比高达85%,提出至今已有80年之久,但现有证据完全基于引力测量等间接观测,还没有获得直接观测的第一手资料,因此其粒子特性仍保持神秘。欧洲、中国和美国已开始布局下一代暗物质直接探测实验,在这一基础物理研究最前沿领域展开良性竞争,希望夺得“第一”的宝座。

  LZ这次加快进程,力争2020年4月前完工并投入使用,势必会让美国在竞争中更具优势。

  LZ实验诞生始末

  LZ实验由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室负责管理,选址建在斯坦福大学地下研究设施(SURF)中,探测装置将被放置在地下约1609米深处,除主要探测WIMPs,也将捎带对轴子和中微子等展开探测。

  2012年国际团队提出,将大型地下氙(LUX)项目和液态惰性气体闪光实验(ZEPLIN)合二为一,组建世界上直接探测WIMPs最灵敏的LZ项目。2015年上半年,LZ通过第一阶段评估,被确定为能源部官方项目,并随后出台这一阶段的概念设计报告;2016年8月,LZ通过第二阶段审议,望远镜、制造成本和时间表等关键议题均最终敲定;而在这次第三阶段评审会上,能源部正式批准了最后设计方案,来自美国、英国、葡萄牙、俄罗斯和韩国等国37个研究机构的近220位科学家和工程师将展开合作,用7吨液氙探测银河系暗物质与普通物质间的弱相互作用。

  LZ设计原理是,当暗物质粒子与液氙原子碰撞时,液氙腔内的电子会向顶部飘移,迅速产生闪光。这些携带暗物质粒子信号的光脉冲,会被排列在大型容器内的500个光扩增管捕获。

  面临两大竞争对手

  中国在暗物质直接探测领域表现出极大竞争力。位于屏锦地下实验室的暗物质直接探测项目CDEX和PandaX近年发表了多次探测结果,其中PandaX项目也是基于液氙技术。中国还在积极推进这些实验的二期建设,力争5年到10年内实现最终目标:利用20吨到30吨级的液态氙实验,探测大质量暗物质粒子;用1吨级高纯锗实验探测轻质量暗物质;并积极参与国际合作。

  欧洲下一代暗物质实验主要基于3.5吨级液氙XENON1T和后续6吨级的XENONnT。XENON1T建造在意大利格兰萨索国家实验室,位于地下1400米深处,已在2015年末开始运行,但灵敏度不及已在2016年“退位”的LUX项目。而LZ的灵敏度提升为LUX的50倍,欧洲虽然在“起跑”时间上领先一步,但美国的LZ能容纳10吨液态氙,且灵敏度更高,谁最先探测到WIMPs,尚难预料。

  LZ项目发言人、马里兰大学物理学副教授卡特·霍尔表示,暗物质研究具有强大吸引力,深受全世界物理学家们追捧,因此,这类研究竞争是良性和友好的,获得重大发现是同类研究的共同目的。

  加快进程不甘落后

  但竞争毕竟存在。在这么重要的领域,在同样使用液氙探测暗物质信号中落后一步,美国当然不会心甘,因此决定加快日程,早日完工。

  斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室负责为LZ实验所用的液氙进行提纯,主要去掉标准提纯过程无法清除的痕量氪元素。虽然提纯后的液氙目前已符合LZ实验要求,但该实验室还在继续研发新方法,进一步提高氙的纯度。

  LZ实验所需的线网已接受多次检测,为确保这些线网在高压实验中没有丝毫漏电,“淹没”暗物质产生的微弱信号,全尺寸网线还将在今年晚些时候安装到SLAC的测试平台,进行实地测试。

  为排除背景干扰,充满液氙的大容器周围需要环绕另一个充满液体的容器罐和光电倍增管,这些管道将用世界上超纯的金属钛制成,正在由英方工作人员进行组装;另一个容器罐中的超纯能闪光液体也准备就绪。具有滤尘功能的无尘工作室和无氡建筑也在加速建设当中。氡具有天然放射性,会对暗物质探测造成干扰。为排除各种背景信号,LZ实验组考虑周全,力求完美。

  因美国能源部此次承诺购买建造LZ系统的几乎所有大型组件,参与实验的科学家们信心倍增,并承诺会按照设定的时间表完工,第一个将暗物质信号“囊入怀中”。

  (科技日报北京2月27日电)

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