如何探测暗物质粒子？

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如何探测暗物质粒子？
作者：一点资讯

阿源285

暗物质粒子目前是假想粒子,所以依赖于理论模型.首先根据探测不同理论模型下的暗物质粒子,实验按探测目的分为轴子探测实验,WIMP粒子直接探测实验等等.限于篇幅,这里就WIMP粒子直接探测实验展开.直接探测实验也根据探测技术不同有多种分类.这里就两种技术:二相型液氙技术展开.
WIMP粒子指Weakly Interacting Massive Particle,与正常物质没有电磁相互作用,而有弱相互作用和引力作用(在探测器的原子尺度下,引力作用很小可忽略不计;在天文学的大尺度下,暗物质粒子之间的引力作用可以用来研究它们的分布).这点和中微子很像.探测器里一般填充某种物质(探测器工作介质),探测WIMP与该种物质发生弱相互作用反应产生的信号.
理论上可以结合天文学的观测,估计出地球周围的WIMP通过引力集合在一起形成团块,绕着银河系中心以平均230公里每秒的速度运动,速度分布为麦克斯韦分布.这样,如果安放一个探测器在地球上,理论上可以估计出一定时间内有多少WIMP穿过探测器的工作介质.
根据弱相互作用的计算,可以得出WIMP与探测器工作介质发生反应的概率(量子力学考虑的都是概率), 这个概率极低.如果WIMP与探测器工作介质发生了反应,我们称为有一个信号事件.目前Xenon1T实验的测量结果是WIMP的散射截面小于10^-46 cm^2.这个数字可以不准确地解释为,用1cm^2大小的平板(平板形状的探测器)去接WIMP粒子,捉到的可能性是1/10^46.
探测器在设计时,必须考虑它的灵敏度能观测到极低概率的事件.如果一个灵敏的探测器没有发现信号事件,那么可以把这个概率再调低,告诉别人,以后新的实验的灵敏度必须达到能探测更低概率的事件.
提高灵敏度的方法,简单来说有两个,一个是增加探测器里工作介质的量,这也是暗物质探测器不断提高质量,比如从公斤级探测器提升到吨级探测器的原因.质量越大,里面的原子数量越多,暗物质更有机会与其中一个原子发生作用.相当于把前面说的接粒子的板子增大.另外,也增加守株待兔的时间,即探测器的测量时间.
另一个是更有效地排除背景噪音.越灵敏的探测器,接受到的背景噪音越大.我们平时毫不在意的信号,比如空气中微量的氡气产生的阿尔法放射性,喝的纯净水里细微的灰尘中含有的铀-钍放射性反应链(对我们健康毫无影响),以及宇宙射线,会产生大量的背景噪音,导致真正的暗物质信号淹没其中.暗物质探测器本身的设计必须使用非常纯净的材料,安放在地底深处屏蔽宇宙射线,安放在洁净室里等等.但这些还是无法避免大量背景噪音,因此需要额外设计一些技术来排除背景噪音.
二相型液氙技术:以著名的Xenon1T实验为例. 在探测器中充入大量液态的氙,同时保持探测器上方有一定的氙气:此液相,气相乃二相.
选用氙的原因:氙元素是重元素,不精确地说,原子数大意味着质子,中子多,WIMP粒子与原子核里的质子,中子反应的可能性更大.注意因为WIMP没有电磁作用,所以不受原子的库仑势影响,可以无视核外电子而直接穿入和原子核里的中子,质子发生弱相互作用; 稳定的氙元素的放射性同位素比例很少,所以因为自身放射性发生的噪音信号很少;作为稀有气体,化学性质非常稳定;保持液态的温度不用很低;液氙的透明度很好,容易使光信号传播;低温下,原子的热运动减小,使热噪音减小等等.
如上图,探测器腔内充有液态氙,上面是气态氙.在顶部到气-液表面,以及气-液表面到探测器底部,施加了两个电场.探测器顶部和底部各自安放了大量利用光电效应的光子探测器(光电效应管).
当暗物质与氙原子核发生弱作用后,氙原子核发生核反冲.暗物质的动量传递给氙原子,使之激发.原子退激发时,产生光子.这些光子传播到底部的光子探测器.底部光子探测器探测到的信号叫做直接闪光信号S1. 但是, 实际情况下,暗物质与液氙作用后传递能量是一个非常复杂的过程,比如氙的激发态有多种,可以形成二聚物等等,所以会伴随有少量的电子被电离出来.这些电子在电场作用下漂移到气-液表面.在气-液表面与探测器顶层的光电效应管之间有第二个电场,这个电场一般是10000V/cm的强电场.在这个强电场下,电子被加速轰击气态氙原子.这个后果就是氙原子被电离,产生电致发光现象.这里产生的大量光子被顶部的光电效应管接受,称为次级闪光信号S2.
而对于普通的放射线,比如伽马射线,阿尔法射线,它们有电磁相互作用,所以与氙原子的核外电子反应较多,而与氙原子核反应较少.因此,它们主要使氙原子发生电子反冲,这些电子产生大量的S2信号.而直接闪光信号较少.由此我们可以计算log(S2/S1)来区分暗物质信号与普通的放射信号,从而降低放射性背景的影响.
这里还有不少问题,比如中子的核反冲效果也很强,如果放射性背景有中子的话,也会被混淆成暗物质信号.这个可以通过对探测器定标解决,比如在探测器外面安放一个确定位置,确定强度的人工中子源,来看看探测器得到的log(S2/S1)等于多少,然后再在实际测量数据中,把接近这个log(S2/S1)的值的事件标记为中子即可.
中微子的散射截面也很小,在10^-43 cm^2量级, 本身是一种难以探测的粒子.另一个问题是,当探测器灵敏度达到极高水平后,大气层,核反应堆,太阳中产生的中微子会在探测器里产生大量信号.这个现象称为中微子地板. 目前来看,二相型氙探测技术的灵敏度会达到一个上限.到了那里后,人们会难以区分暗物质和中微子.
目前灵敏度最高的就是上面的Xenon1T实验.他们没有看到暗物质粒子,所以把暗物质反应概率继续拉低了.另外还有单相型液氩实验,比如DEAP实验.这种实验可以针对某种与重元素,比如氙反应概率低但与轻元素比如氩反应概率高的暗物质理论模型.单相型氖气实验,这种轻元素工作介质主要针对质量较小的暗物质模型.
另外值得一提还有AMS卫星.这个阿尔法质谱仪卫星是通过间接方法来探测暗物质:探测某种波段的光子或电磁波,这种光子根据理论计算是由暗物质粒子湮灭造成.这个也促进了一些太空或空间站的暗物质探测实验.此外还有通过加速器产生可能的暗物质粒子,再利用诸如ATLAS等希格斯粒子探测器来间接探测暗物质粒子的湮灭. 目前还有理论提出,质量接近普朗克质量的暗物质粒子,可以在使用液体闪烁体的中微子探测器中,通过多步散射信号测得.
总结来说,暗物质模型多种多样,暗物质很可能不止一种.目前主流的候选者是WIMP粒子,最佳结果是Xenon1T实验的零结果.