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欧博开户(www.aLLbetgame.us):在地下2400米看宇宙

admin2021-08-0240

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内容‘rong’来自墨子沙龙“中国的大科学装置”流动。

刘江来:上海交通大学物理与天文学院教授,李政道研究所研究员。耐久致力于暗物质、中微子实验领域的前沿研究,现在是PandaX暗物质实验谈话人,大亚湾/江门中微子实验刻度课题认真人。

人人好,我叫刘江来,是上海交通大学的一位先生,异常幸运有时机来到墨子沙龙,跟人人聊一下我做的科学。适才曹俊先生讲了他在中微子方面的研究履历【见:核电站内捕捉幽灵粒子】,而我对中微子也是极富情绪。

1998年,那时我恰好大学结业,刚结业就去了美国,也是在那年听说了中微子振荡的研究,但我那时却对尺度模子一无所知。厥后在美国要选研究偏向时,日本的神冈实验和加拿大的SNO实验正如火如荼,我就被中微子迷住了,下定刻意要从事这种基本粒子相关的研究。虽然最后出于种种缘故原由我的博士时代并没有从事中微子的(de)研究事情,然则在2006年的时刻,博后时代的我义无反顾地选了中微子研究。那时我作为美方的单元,在加州理工加入了王贻芳和曹俊研究员向导的大亚湾实验。

适才曹先生讲的小故事,让我以为似乎在许多青年迈师的发展历程中央,总有这么一个大咖,给他来了一番促膝长谈,然后就改变了他的人生偏向。而在我的人生中也有这么一位。2009年,我还在美国做中微子实验,锦屏山暗物质实验的提议人季向东先生给我打了个电话,说未来在锦屏山要提议一个暗物质的实验,一起回国吧。我为这「zhe」个实验的远景和季先生的人格魅力所感召,之后便回到中国开展实验。这个实验也是我今天要讲的内容,若何在2400米的地下考察宇宙。虽然这个实验提议的初始目的是研究暗物质,但也可以用来做中微子的研究。

这张图片归纳综合了我们人类配合体贴的三个宏观话题,也很好记,叫“两暗一黑三起源”。两暗指暗物质和暗能量。一黑指黑洞,黑洞的研究去年也拿了诺贝尔奖。三起源是哪三大起源问题?就是宇宙起源、天体起源,以及生命起源这些问题。这些问题合起来就是我们人类体贴的TOP SECRET。

现在天我要说的研究,就是“两暗”中的暗物质。暗物质事实是什么?适才曹俊研究员说中微子是幽灵粒子,宇宙中央无处不在,大爆炸早期就大量发生。可是把所有已知的质子、中子、电子加上中微子的重量所有加起来,它们的质量或能量在宇宙中占的比例异常小。而另外有一种我们看不见的物质被称为暗物质,它与通俗的物质一样都介入引力相互作用,但占宇宙的比例却是通俗物质的五倍。而科学家们并不知道它是什么,以是把它叫做暗物质。另外另有一种不是物质,不介入引力相互作用,甚至不能确定是不是真正能量的一种“能量”,被称为“暗能量”。它是一种宇宙内部的负压力,用来注释宇宙加速膨胀征象的一种模子,人们对其知之甚少。

暗物质和中微子一样,都是弥散在整个宇宙中央、无处不在的。然则由于引力的效应,在宇宙中央某种物质群集的区域,好比银河系中,暗物质被引力约束着。人人应该很熟悉银河系的结构(左下图),银河系有个银盘,太阳系在银河系的第三个悬臂。但银河系中的这些所有星球,都绕着银心高速旋转的。好比太阳绕着银心以1‰的左右光速旋转,但我们发现所有星星自己的引力总和,不够提供其需要的向心力,它一定要在更大的一团物质“晕”中央旋转,才气获得足够的引力。以是真正的银河系的图像是这个容貌(右下图),我们所见的银盘只是很小的一个部门,它被更大的相对加倍平均漫衍的暗物质雾霾笼罩着。而这些暗物质发生的引力给予了银河系旋转的向心力。

暗物质“晕”和在其中旋转的银河系

然则暗物质“雾霾”到底跟一样平常生涯中的雾霾,好比上《shang》海的PM2.5怎么对照?这些暗物质雾霾的量远远达不到一样平常生涯能够感知的量。太阳轨道周围每立方厘米的空间中,暗物质的总质量和一个质子的质量是一个数目级的。一克水中所含质子的量级在10的23次方量级,而暗物质与空气相比也许差了21个量级。而为何暗物质云云低的密度,居然在整个银河系中饰演云云主要的角色?缘故原由在于暗物质存在的尺度异常大,云云的大尺度中纵然弥散着很小密度的暗物质,也可以驱动整个银河系的形成和演化。

适才先容的征象已经被相关的天文观察所证实,但我们却不知道这样的介入引力作用的、让银河系高速旋转的暗物质详细是什么。同时我们「men」也要问另外一个问题,这种物质是否像中微子一样,也由一个不能支解‘jie’的最小粒子,组成了这些雾霾?这是我们要研究的内容。固然,这些研究需要许多来自理论家方面的想法,有的理论家告诉我们暗物质可能是一种粒子,也有理论家说暗物质或许是一种颠簸而不是粒子。但若是它是一种粒子的话,这种粒子除了万有引力,或许还介入一些其他的相互作用。这样的话就使得我们可以在太空轨道中发射探测器,来探测未知暗物质粒子和我们已知的可见物质之间的微观相互作用。

已往几十年中逐步确立了一个假说,即暗物质是介入弱相互作用的一种大质『zhi』量的粒子,叫做弱相互作用重粒子,英文名称叫WIMP。若是假说确立,我们就可以通过多种手段来征采它。我们躲到地底下就是为了寻找这样的粒子,它击中地底深处的一个探测器,把探测器内的一个原子中的电子或者原子核撞出去以后,我们就能探测到飞出来的原子核和电子,这叫做所谓的“直接探测”。

适才提到说,太阳是绕着银河系中央高速旋转,以220km/s(1‰光速)旋转。暗物质雾霾和通俗可见的已知物质之间的相互作用很微弱,同时太阳系虽然在高速旋转,然则暗物质雾霾却并未旋转,以是相对而言,我们的太阳和雾霾之间相对运动,速率巨细是太阳自己的旋转速率,即千「qian」分之一的光速。可以想象这样一个场景,太阳系的旋转就像是我们在雾霾天的上海陌头行走,太阳“骑着”一个千分之一光速的电瓶车,暗物质雾霾迎面扑来,它携带了动量。通过雾霾粒子与靶之间的能动量转移,就可以来丈量暗物质的存在。这个原理就是所谓的暗物质直接探测。

但这个想法在1985年才被正式提出,详细细节是将暗物质探测器放在异常平静的环境中,守候几十年或者更长时间。“守株待兔”守候着碰撞的信号,探测器内的原子是守候着暗物质碰撞的靶子。可以想象,虽然每毫升空间内只有质子重量量级的暗物质粒子存在,但暗物质以千分之一光速相对运动,那么每秒钟有十亿个暗物质粒子穿过探测器。而同时〖shi〗,探测器内约有十的29次方个原子作为“株”等着暗物质碰撞。这样一件理论上概率很大的事,按说“兔子”早该撞上了,可直到今天,我们还没有确凿证听说明探测到暗物质的存在。今天的实验效果,能让我们断定暗物质每年和每小我私人的碰撞次数小于一次。

这个实验难题之处在于探测器无时无刻不在受到其他因素的滋扰。就像大亚湾的探测器,为了逃避环境中放射性的滋扰,因而要躲到地底下,放在超纯水的水池中央。若是在地表建一个探测器,它就会受到宇宙射线和环境中其他伽马本底无时无刻的轰炸。我们人体天天和环境射线的碰撞次数也许有十亿次,与暗物质碰撞的比例相差十几个数目级。因此我们不仅需要把探测器放在2400米的山底下,使得大多数宇宙射线能够被屏障,同时还要用屏障体把探测器层层包裹,使得外来的伽马射线不能和探测器内部的原子相互作用。

上海最高的山是佘山,只有70米左右,显然上海不适合做这样的实验。十几年前季向东先生激动的找我回国来做这事,是由于海内正好找到这样一个宝地,有2400米的岩石埋深可供使用。这个地方在哪儿?在四川横断山脉的山区,成都南部直线距离三四百公里左右。西昌是中国的卫星之都,是我们卫星的发射基地之一。西{xi}昌周围有一条蜿蜒曲折的金沙江的支流,叫雅砻江,雅砻江水利资源异常厚实,总体自北向南流,但在越过锦屏山的时刻,拐了一个“几”字的弯。这个地方为何会有2400米的岩穴?国家为了开发雅砻江的水利资源,在雅砻江上修建了一个全天下最高的大坝,行使它厚实的水利资源来发电。在建坝的历程中,为了运输需要把“几”字的锦屏山打穿。沿着17公里的极深隧道走到正中央时,上方有2400米厚的岩石,这是个得天独厚的环境。并非从山顶专门凿一个矿井,挖2400米到山底。

下图是09年隧道刚刚挖成时,看上去另有点阴晦,但现在已经漂亮许多。

通往实验室的隧道

这是我们2012年的时刻首次把个实验装置运到锦屏山举行调试的照片。2010年,雅砻公司在完成整个隧道施工之前,为我们募捐一块地方用于科学实验,做成了很小规模的实验室,而这个很小规模的实验室就成了中国第一代暗物质实验的场所。

从1985年最先,国际上林林总总的暗物质探测层出不穷,而我国在09年才最先起步。现在的两个实验,一个是我们在做的由上海交大牵头的PandaX实验,接纳氙举行暗物质探测《ce》。另外另有一个清华牵头的实验叫做CDEX,中文名称叫 *** ,接纳另外一种锗半导体晶体做暗物质探测。两者之间的探测偏向差异,一个是对对照大质量的暗物质举行探测,一个是对对照轻质量的暗物质举行探测。

我主要先容PandaX实验(即熊猫X),叫“熊猫”固然跟实验地在四川相关,熊猫也是四川的标志;X是Xenon(氙)元素的英文的首字母,通过氙探测器做粒子和天 tian[体物理交织研究。以是叫做Particle and Astrophysical Xenon,这是PandaX名称的由来。

在已往的十几年中我们完成了两代实验。第一代实验用120公斤液氙做成探测器靶,举行暗物质探测,在2014年的时刻竣事。第二代升级成580公斤液氙。和大亚湾、江门这样的大型实验项目相比,探测器尺度要小得多,580公斤氙探测器才半人巨细的,同时氙的密度也许是水的三倍左右,密度相对较大。

氙是最重的稳固惰性元素,同族最重的元素是氡,但氡三天后就衰酿成其他物质,因此不适合做实验。氙在零下100度时酿成液体,把它从气相酿成液相后,可以做成一个体积相对较小,重量相对较大的探测器。

氙的价钱对照昂贵,一公斤的氙市场价钱在一万到一万五之间浮动。做580公斤这样的探测器要花不少的资金。它昂贵的缘故原由并不是由于质料忧伤,而是由于必须通过空气多『duo』次星散才气把惰性元素星散出来,手艺相对繁琐,因而全天下的年产量也许在60吨到80吨。

为什么要用氙来做探测器?在氙中,暗物质粒子除了和原子碰撞后发生闪灼光可以被丈量到以外,暗物质粒子电离出的一些电子也能在探测器中转化为光信号,再次被探测到。因而这两个信号,初始的闪灼光和后续的电子信号连系起来后,可以做成3D照相机,任何一个散射的事宜都可以确定它的X、Y、Z三维的位置。探测器做成一个桶状是出于手艺因素思量,安装和调试相对容易。

这个探测器另有其他的功效,好比可以通过丈量光信号和电信号两者之间的分配,甄别信号和本底。本底就是噪声,而真正的信号是实验所想要找到的暗物质和原子核碰撞的信号。另外适才谈到了氙自己的密度对照大,密度越大,屏障效果就越好。若是探测器外部对内部有一些滋扰信号的话,可以通过对每一个事宜的位置做3D重修,再把探测器最内部区域的信号拿出来做暗物质剖析,而外面就这些厚重的氙屏障了外部本底噪声,以是叫自屏障效应。

我们的互助组,从2009年季向东先生提议以后,一直在稳固扩大。今天这个项目有70多位互助者,在海内有十几家互助单元。最最先的时刻,由于地理位置诱人,美国有一个团队加入我们。但厥后和美国、欧洲逐渐形成猛烈竞争的态势。

下图是我们的PandaX实验装置。可以看到三米五的装置宽度,从外侧向内许多层都是屏障体,有塑料质料的聚乙烯,也有为了挡伽马射线的铅。中央的是高纯的铜,铜是现在通过电解获得的纯度最高的一种元素。高纯铜仅仅是探测器的一个绝热层,零下100度的液体需要在一个真空绝热的保温杯内里才气够耐久稳固地运行,以是需要把高纯铜做成屏障体,再在其中抽真空。最终这个不锈钢的容器中央的580公斤的氙才是我们真正探测暗物质的探测器和靶子。

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PandaX实验装置

这个是我们第一代实验月饼状的探测器,相对较扁,高度是15公分,上面和下面的光电倍增管的排列相对对照麋集,为了高效率的丈量闪灼光子和二次电离发生的光子。

2010年前后,国际上举行的一系列实验都说似乎找到了暗物质存在的信号。这张图上的每一个圈代表着暗物质可能存在的区域。但科学上每一个真正的发现,需要许多实验交织验证。

首先需要质疑的第一个问题就是,这些圈儿在这张图上并不重叠,这些实验效果之间并不自洽。图的纵轴是暗物质和我们已知物质碰撞的频率,也就是暗物质粒子和我们通俗物质之间相互作用的强度。越强的相互作用,碰撞的频率越大,就能够更早地找到暗物质。然则实验中并没有找到暗物质,就说明每年的碰撞次数很少。

图上横轴是暗物质的质量,横轴的最左边也许是一个质子质量,横轴的最右边是100个质子质量,我们在这个局限征采暗物质。一期实验并没有发现暗物质的踪迹,而我们实验的迅速率又跨越了所有这些国际上发现暗物质实验的踪迹,就说明我们的效果跟国际上是不相符的。固然,不仅我们没有发现暗物质,其他另 ling[有好几个迅速实验的效果都没‘mei’有发现,以是在那之后2014年国际公认,这些所谓的疑似事例,或许是某种未知的本底噪音信号,或者是由于一些统计的涨落引起。

这个是我们在清洁间中研制暗物质探测器的照片。照片里的我们都穿着防护服,似乎很吓人的样子,似乎这个探测器在发射什么放射性射线来危险我们身体,但现实上防护服的作用是防止我们人体的灰尘落入探测器中带来污染。

09年到14年我们起步的时刻踩过无数的坑,探测器真正要在实验里用起来的话,要解决许多详细的问题。一代的探测器实验乐成后,我以为后面要升级二代探测器的话就是小菜一碟,可现真相形并非云云。2014年,120公斤的实验升级到第二代580公斤实验,似乎就只是把探测器的高度从15公分拉到了60公分。一样平常来说装备一个探测器,从到最终成型,需要一到两年的时间。但现实上我们遇到了一些之前没有遇到的问题。

有一个最主要的问题,是我们的探测器遇到了一种来自于探测器未知的污染。空气中还含有少量氪气,是比氙轻一族的有数气体。空气中有百万分之一的组分是氪气。氪气原本是无放射性的惰性气体,可是在二战以后,人工核燃料、做裂变天生了氪-85这种放射性同位素。虽然这种同位素释放的含量极其细小,不会为我们的身体带来危害,但足以对我们的探测器发生异常大的滋扰。

适才提到,对于氙探测器来说,外部的本底信号可以通过挑选内部纯净的事例举行筛选。然则若是少量的氪-85融到探测器内部,而氪-85又有很长的半衰期,因此就没有设施切出来一个清洁的区域做暗物质的征采。以是没设施,探测器已经建成,中央却混了氪该怎么办?就需要另想设施把它给去{qu}除。

那么可以接纳的方式是什么?所有的氙、氪都是从空气中星散的,凭证差异物质之间的沸点差异,可以通过蒸馏的方式举行星散。而氙、氪之间的熔沸点纷歧样,行使低温精馏,可以将二者星散。以是我们就自制了一个精馏塔,把氪气的含量降到十亿分之一的量级,才气使我们探测器正常地运行。

探测器原本已经在锦屏山安装好了,但我们依然只能把探测器所有的氙所有接纳,运回交大肆行精馏。精馏完后又在过年时代把精馏后的氙运回锦屏山,然后开展运行。在三月和六月时代,我们有了一次稳固的运行。这次稳固的运行可以看出,氪的本底然则降到之前的十分之一。

上图就是我们做暗物质征采的实验效果,每一个点代表一个事宜,红线上的这些黑点并不是暗物质,而是想清扫掉的本底噪声。这张图上红线以下的更可能是暗物质。图中红线以下有一个绿颜色的点,它的能量位置被纪录下来,但也只是暗物质候选,还要做剖析,好比说这个事宜到底有多可能是本底泄露下来的。通过剖析,我们发现这个点更可能是来自本底泄露,而不是来自暗物质。以是我们使用一个更迅速的探测器,又找了三个月,但照样没有找到暗物质的踪迹。

我们把氙从锦屏山运回上海这个历程中,氙在地表经受了三个月的宇宙线照射,一部门氙被引发成同位素氙-127,它的半衰期只有35天,可以等它逐步衰变以后最先做实验。但我们实验没有等这么久,因而中央掺杂了一些氙-127造成的污染。这张图上看得更清晰了,能谱中泛起了一个氙-127的峰。然则无论若何,我们这个效果照样那时国际上获得的对暗物质最迅速的探测。相比美国的实验,我们的‘de’迅速率提升了两倍。虽然最终没有找到,却能给出暗物质作用强度的上限。

再讲一个小故事,我们知道氢元素中央有氢和氘都是稳固的同位素,SNO实验用的就是氘水D2O。另有一种一个质子、两其中子这样的同位素叫做氚,往往存在于核反映堆中。若是排放氚水到海水中央,可能会让许多人忧郁其对环境的危害。

适才上面那些黑点若何被判断成是本底?就需要把一些人为的本底掺到探测器中央,获得内陆的信号特征,这种做法叫本底刻度,此时氚就成了一个好器械了。由于氚有14天的半衰期,而衰变的能量正幸亏暗物质探测的能区。若是我们把少量的氚融到探测器中央,就能对本底的特征做个稀奇好的刻度。那时我们从外洋入口了一种核医学中用的氚化甲烷,即把甲烷中少量的氢换成了氚,虽然化学性子相同,却具有放射性。掺到探测器中,做刻度本底刻度并无问题,让我们明白清晰探测器的本底的漫衍。但在去除氚时,我们预想氚是活性气体,仅通过化 hua[学方式便能容易去除。但现真相形却是去除到一定水平后,无法再使其浓度降低。最后没有设施,以是我们再一次行使了精馏的方式。行使其熔沸点差(cha)异,又做了一次精馏的运行。最后把氚的本底降低了100倍,把探测器拯救回来,能够正常运行。

这时刻氚和氙的摩尔比也许是10的-24次方,这个是显著的要高于日本福岛排到海水中央氚的含量。我们把它提纯低到什么水平?探测器中剩余的氚所有加在一起的重量小于探测器中暗物质的重量。

提纯之后我们又做了第二次曝光,第二次曝光我们照样看到了一点点氚和氙-127的信号。上面这些黑点依旧是我们不想要的,凭证下面这条红线去找暗物质,这次更惨,实验的效果是一个事例都没发现「xian」。

图中朱颜色这条线就是我们中国的实验所获得的效果,黑和紫色的线就是欧洲和美国实验相对照的效果。

再回到其他手段暗物质探测,悟空卫星接纳的是暗物质间接探测,寻找银河系中暗物质湮灭以后发生的高能信号。这些高能信号可以在太空中做一个探测卫星举行寻找。

常进院士向导的团队在2017年,于质子质量1400倍左右的区间发现一个超出。理论家就做了许多暗物质模子可以注释这样的征象。

我们下一代实验就在一个更大的空间,锦屏二期实验室开展了。这个地方离我们之前做的小实验室一点几公里,但照样在锦屏山隧道内里。但我们有了一个大许多的B2实验厅开展实验。我们要把580公斤的氙要升级到四吨,其中依然有无比多的手艺问题需要解决。这个探测器的许多模块已经乐成研制,好比外围的屏障体等。现在整个探测器设计接纳超纯水作为屏障体。探测器中央的金属容器取代了高纯铜的真空腔,内里另有一个高纯的不锈钢的容器来盛四吨的液氙。这个实验有四吨的迅速靶,对光子或者电子加倍敏感,以是我们能测对照宽的能区,同时对每一个事宜可以做厘米级的位置的重修。还可以举行除了暗物质以外,如中微子的研究等。

最后我就总结一下,适才讲了许多。

19世纪末科学家以为宇宙中央充斥着一种叫做“以太”的物质,是光流传的前言。迈克尔逊和莫雷设计了一种高精度的光学的过问仪,今天在许多领域中被普遍应用。迈克尔逊过问仪没有测到地球和“以太”之间的相互运动,推翻了所谓的“以太”学说,但这个推翻催生了狭义相对论,爱因斯坦用狭义相对论注释了光速的稳固性,也催生了现代的物理学。以是可以看到科学的探索自己,不管科学实验是否有新的发现,都具有重大的意义。暗物质可以类比成今天的“新以太”。因此岂论我们是否找到它,寻找自己都是对科学和手艺最前沿的一种伟大探索,对我们人类也将发生深远的影响。探索自己就是科学研究的一个意义。

演讲者:刘江来

文字整理:John

排版:猫撸暖锅

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