4吨 “熊猫” 归来，围捕暗物质再下一城｜专访刘江来
2021-07-13
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2021年7月8日下午4时，上海交通大学教授、PandaX实验发言人刘江来在马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）国际广义相对论大会上公布了PandaX-4T（“熊猫4吨”）的首个实验结果，虽然依然没有探测到暗物质，但再次缩小了其可能存在的范围。
在所有的宇宙物质中，看不见的暗物质占到了约85%，是我们熟知的所有普通物质（如质子、中子、电子等）的5倍多，主宰了星系和星系团形成。但迄今为止，人们对它的了解还相当有限，比如连暗物质粒子的质量是多少都不清楚。
PandaX实验位于四川凉山州、2400米下的中国锦屏地下实验室，采用液态氙作为暗物质靶和探测器。按照实验的设想，暗物质粒子碰撞到氙原子核后反冲，将在探测器中发光或产生其他氙原子的电离，进而可以被探测器中灵敏的光电器件记录下来。
在我们今天的科学认知下，银河系被暗物质晕所包裹，就像是笼罩在一大片 “雾霾” 当中。当太阳绕着银河系中心以近1/1500的光速高速旋转时，也带着地球和这片 “雾霾” 发生着高速的相对运动。实际计算出来，每秒钟大概有10亿个暗物质粒子撞击着我们的身体，但大多都 “穿身而过” ——暗物质和我们身体中的原子发生碰撞的次数却十分稀少，大约一年一次。可以想见，直接探测暗物质是多么困难的一件事。
在过去的10余年中，PandaX合作组已经完成了两代暗物质实验。为了提升探测的灵敏度，液氙的规模从第一期的120公斤，提升到二期的580公斤（其中PandaX二期实验曾取得当时对暗物质粒子的最强限制，成果入选2017年美国物理学会亮点）。2019年起，PandaX升级建设新一代的4吨级实验。
本次的PandaX-4T探测器中共有5.6吨的高纯氙气，其中灵敏区域达到了3.7吨。除了氙的规模增大，影响探测的另一关键因素，实验的本底也得到了大幅降低，减少了对观测信号的噪声干扰。本底也称为 “背景辐射”，其来源多样，比如有天然放射性物质（如氡和镭）造成的环境辐射、宇宙线辐射，以及核试验或核事故的余尘。
负责中心探测器研制和数据分析的上海交通大学周宁副教授表示，通过多项低本底技术的改进，在同样的曝光量下，PandaX-4T的本底比上一代的PandaX-II降低了4倍。
作为国家发改委 “十三五” 重大科学基础设施项目之一，PandaX-4T所在的锦屏二期实验室，本来预期2023年完工。但面对激烈的国际竞争，为了加快实验进度，PandaX团队在锦屏二期实验室B2实验厅中提前建设了临时配套设施和900吨的超纯水屏蔽装置。
2019年8月，实验组提前进驻后，克服了诸多技术挑战和新冠疫情造成的影响，于2020年5月底完成探测器安装；11月28日，探测器调试完成后进入试运行，今年4月15日结束运行，进入数据分析。
在总共95天的运行中，PandaX-4T探测器记录了约13.7亿次的事件，其中仅有1058个事例通过筛选进入了最终的暗物质分析数据集。这些事例中有6个事例落在了信号区域内，通过分析，和本底预期吻合，未出现暗物质事例超出的迹象，也就是没有发现暗物质。
目前，国际上在建的多吨级液氙实验，还有位于意大利Gran Sasso实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验。这次是PandaX在激烈的国际竞争中取得再次领先。《知识分子》第一时间邀请到PandaX实验发言人刘江来，请他聊聊这次的4吨实验以及暗物质探测的未来前景。
《知识分子》：为什么选择在马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上公布此次的探测结果？
刘江来：倒也不是刻意选择在这个会上公布。三个月前我收到了大会的邀请，让我做一个大会邀请报告，那个时候我们刚刚终止这一个阶段的运行。我们大概估计了一下，觉得这几个月应该可以把结果相对完整地展现出来。
这个会虽然名为广义相对论大会，但其实已经包含天文、宇宙学、粒子等方向，研究宇宙中最深层次问题，这次有1000多人参加，我觉得也挺适合公布我们这个结果。
《知识分子》：数据分析的过程还顺利么？
刘江来：总体是比较顺利的，我们也在很短的时间内啃下了几个硬骨头。因为这是一个全新的实验，刚调试好的探测器，需要在暗物质探测的能区筛选出物理数据，基本上都要从零开始做。尤其是第一步，在很低阶的分析中间，怎样把疑似信号的数据选出来，不把事例漏掉，同时又不让太多的噪音混进来。我们大致有三分之二的时间花在研究数据筛选条件上。后面的分析基本是按照我们以前发展的方法做的，对本底分析上有一些手段的革新和优化，整个分析应该算顺利。
《知识分子》：这张表示结果的图，透露了哪些信息？
刘江来：这次实验刷新了暗物质性质的边界，这里的性质指的是暗物质和核子的相互作用，用散射截面（上图的纵坐标）来表示。如果找到了暗物质信号，就是确实测量到截面了；如果没有找到，截面就有一个边界值（上限），意味着它以下的参数空间还是可能的，以上的参数空间就排除掉了。
这张图的最下方的红线就是我们以90%的置信度给出的边界值，换句话说暗物质和核子相互碰撞的截面，大概率应该在这条红线之下。
红线上面的黑线，标着2018年意大利XENON1T实验最终的一吨年曝光量给出的限制。我们目前的结果和他们相比，排除边界强了约30%。
比较宽的绿条带体现的是探测器的灵敏度带，意思是假设真实信号为零，预期误差涨落下探测器得出的边界值上下浮动的范围。我们这个实验最终的排除线在绿带内，显示出并未发现有显著的暗物质超出的迹象，简单说就是还没有发现暗物质。
一般而言，如果排除线显著的高于这条绿带，就说明是看见了一些暗物质的迹象了。希格斯粒子发现的时候也是类似，最开始实验结果由于灵敏度受限，排除线和灵敏度带是吻合的；后来逐渐排除曲线超出灵敏度带了，也就是说看到了疑似超出了。到了一定时候，超出如果很多的话，就不画这条排除曲线了，而是就画真正发现暗物质在哪的圈了。
《知识分子》：这次探测稳定取数了95天，之后为什么不继续了？
刘江来：在取数的过程中，有一个意料之外的本底逐渐显现出来。这个本底可能是由于在前一代探测器中，我们当时做刻度实验时注入的，没有完全被去除干净，又进入我们4吨的探测器里，并且我们发现不能有效地在线去除这个本底。自4月起，我们中止了运行，正在尝试做一次离线去除——就是把探测器里面的氙全部取出来，通过低温精馏的方式，将氚进一步去除后再将氙重新冷却灌注回去。
《知识分子》：其实这次氚也是痕量，但到底少到什么程度？
《知识分子》：必须把氚分离出来？
刘江来：目前由于氚的本底过多，是暗物质分析最重要的一个本底，如果不把它降低的话，灵敏度就比较难提升了。
《知识分子》：怎么知道哪个事例是何种本底，哪个事例是暗物质信号？
刘江来：我们采用的是所谓的 “似然法” 分析。每一个事例就像有 “分裂人格” 或者 “四不像”，有可能是氚，有可能是氡，有可能是中子，有可能是暗物质，但是相似性各有不同。因此我们并不能绝对的判断每个事件谁是谁，事件的区分是统计意义上的。
《知识分子》：之前你们就一直在去除氡的本底，这次还存在？
刘江来：好消息是PandaX-4T里每公斤氙中氡的含量较我们上一代的PandaX-II降低了6倍。所以相比较而言，氚是更严重的问题。暗物质事例预期处于低能区，和氚的本底的能区符合，而氡事例的分布的能区比较均匀，因此氚本底对于暗物质的影响比氡要大不少。因此我们决定先停机，把氚问题先解决了再说。
《知识分子》：在正式开始取数之前，也都有本底的测试，当时氚没测出来？
刘江来：最大的难度还是因为氚的量实在太低。对于以往我们碰到的氪和氡这些惰性气体本底，原则上还是可以通过独立的方法把它们测出来；目前我们的氚的浓度是每100克氙中少于一个氚原子，已经超出所有的独立测量的灵敏度。唯一能够数出到底有多少氚的方法，就是等到探测器稳定运行后积累大量的统计量。这就成了个悖论——你并不知道探测器中有多少氚，就得开始去运行。你能做的就是用尽你认为可以去除氚的手段（比如低温精馏），然后赌一把。
《知识分子》：未来在本底方面的目标是？
刘江来：氚我们希望能够降一个数量级，计划把总体的本底降低至少两倍以下。
《知识分子》：像这样的氙探测实验，实验的终点在哪里？
刘江来：现在我们不知道暗物质在哪里。找到哪里为止呢？一般而言，大家的 “既定目标” 在所谓的中微子地板，也就是探测器灵敏到可以看到大气中微子的本底。根据计算，要到达那里，液氙探测器大致需要200吨的探测器运行一年（30吨探测器运行7年）的曝光量。
这还仅仅是体量的需求。另外的要求就是探测器本底，最终你需要观察到中微子本底，所以对其他放射性的本底的控制就要和中微子本底看齐。粗略的讲，我们对本底控制的目标就是其他的本底加在一起和中微子本底是1:1。
《知识分子》：如果触达到中微子地板会发生什么？
刘江来：最明显的后果就是这个探测器可以开始做中微子物理了，这将打开一个全新的研究方向。
现在中微子两大研究方向，一是研究中微子的基本性质，比如像大亚湾和江门实验研究的中微子振荡、质量顺序等。
另外一个研究的前沿，是利用中微子作为剧烈天体现象的信使，也被称为 “中微子天文学”。届时我们的探测器变成了中微子天文和引力波、电磁波等结合的多信使天文，现在是一个方兴未艾的交叉领域，大有可为。
《知识分子》：如果说触达中微子地板了，那暗物质还存在吗？
刘江来：可能存在，但是截面或者是作用太微弱，探测器不够灵敏了。当然，我们现在也在想别的办法，液氙探测器如何能够突破中微子地板；如果没有更好的办法，那么暗物质直接测量这条路恐怕触及到中微子地板就不能推进了。但是对这些中微子的精确测量将会打开一个全新的天窗。
《知识分子》：现在还没有办法把中微子的本底去掉？
刘江来：目前没有找到办法。有人说用方向性的手段，因为中微子大多是各项同性的，但暗物质的方向和太阳绕着银河系的旋转方向相关。但是一个大体量的探测器，非常难分辨出低能散射的方向。
据我了解，国际上至今没有一个可靠的方案，能够在很微弱的碰撞截面下，依然把方向给测出来。
《知识分子》：如果探测器开始重新取数，接下来的计划是什么？
刘江来：继续做好4吨的实验和物理研究。此外我们也在筹划下一代更加灵敏、更加大规模的实验。等到下一代探测器建设完成以后，我们就会停止4吨的实验，然后进行升级工作。
《知识分子》：计划的是30吨的氙探测器？
刘江来：对。2016年，我和季向东老师写了一篇暗物质探测的综述文章，上面就提到这个30吨的液氙探测器实验。在获得支持之前，我们现在还不确定最终的体量是多少。
《知识分子》：下一代的探测实验，还有哪些挑战？
刘江来：总体而言，探测器本底的降低和体量的扩大会使总的灵敏度提升。当然要做的工作细节还很多。越大的探测器，如何读出那么多的信号，如何最小化时间漂移室电场的形变对探测器造成影响将是严峻挑战；越大的探测器，用的材料也越多，如何降低材料本底，如何降低氚、氪、氡等本底，我们一直在研发解决这些问题。但这类实验就是这样的，每一个阶段的问题解决了以后，下一个阶段又会碰到新的更难的问题。
《知识分子》：多吨级液氙实验，目前还有意大利 Gran Sasso 实验室的XENONnT和美国Sanford实验室的LZ实验，请简单评述一下现在进展的情况？
刘江来：我知道他们的进度和我们很接近，要么是在准备实验，要么就已经开始试运行了。我所知道的都是公开信息，根据他们的官方的时间表，应该在近期会有新的结果出来。意大利的实验是6吨，美国是7吨，都要比我们目前的4吨的体量大。
《知识分子》：暗物质这个领域，理论方面好像不是特别有力？不像广义相对论一出来，理论上明确指了个目标，天文学家去验证就可以了。
刘江来：七八十年代你如果问这个问题的话，大家一定都会不约而同地说，理论家已经给方向了，那就是超对称。但今天因为没有找到暗物质，大家对超对称的信心也已经动摇了。在过去的几十年，应该说超对称被研究的非常多。它预言的暗物质有很大的区域，如果找不到暗物质，超对称调整下参数空间或许还能活，但大家渐渐信心动摇了。
对于科学发现，公众还是比较习惯于 “爱因斯坦模式”，预言完了，一看水星进动，马上就验证了理论。但说实话，谁也不知道会怎样。科学的发现，不能只类比爱因斯坦发现广义相对论。很多粒子物理的发现，其实一开始也是有很大的可能区间；找到新粒子后，就打开了一个窗口，新的理论就出现了，或者已有理论的参数便确定了，历史上也比比皆是。这些实验的发现或许没有爱因斯坦发现广义相对论那么伟大，或者说爱因斯坦广义发现相对论的模式可能是一个例外，而其他科学发现的模式更加普遍。
《知识分子》：暗物质探测非常热，除了地面的方式，天空中也有，比如明年升空的欧洲的欧几里德太空望远镜等项目，怎么看这些空间的项目？
刘江来：空间观测和地面的实验一定是互补的。宇宙的大尺度结构、银河系等星系都是靠暗物质的引力势形成的，精确的研究微波背景辐射、大尺度星系结构等等，能够得到暗物质和普通物质相互作用的一些信息，但是是间接的。好处是这些空间项目不需要等待暗物质来碰撞探测器，有大量的观测样本来研究。
我最希望的还是科学家能够在实验室里，研究暗物质和普通物质的微观相互作用具体是怎么样的，就像我们在地下实验室做的事。
参考资料
制版编辑 | 卢卡斯