物理學主宰著自然界從“極小”到“極大”最基本的規(guī)律，微觀至最基本的構(gòu)成單元——基本粒子，宏觀至整個宇宙。隨著20世紀宇宙“大爆炸”理論和粒子物理標準模型的建立，科學家逐漸發(fā)現(xiàn)了“極小”的基本粒子和“極大”的宇宙之間千絲萬縷聯(lián)系中的冰山一角。這方面研究——物理宇宙學——的開創(chuàng)者之一James Peebles也因此獲得了2019年諾貝爾物理學獎。
但現(xiàn)代宇宙學觀測也對目前的物質(zhì)科學理論提出了嚴峻挑戰(zhàn)。從對早期宇宙遺留的微波背景輻射的精確測量，到宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的巡天觀測，到通過引力透鏡測量星系結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分布，再到星系旋轉(zhuǎn)曲線的測量等，都得出了一個共同的結(jié)論——在我們的宇宙中，普遍存在一種看不見的暗物質(zhì)，主導了宇宙和星系的形成和演化。但我們并不知道它們?yōu)槭裁创嬖谟谟钪嬷?它們存在的基本形式到底是什么?是否由標準模型中的基本粒子組成?另一個巨大謎團是當前的宇宙幾乎完全由正物質(zhì)組成，可是宇宙早期的正反物質(zhì)應(yīng)當是成對產(chǎn)生(pair production)的，究竟是什么機制導致了反物質(zhì)的消失?我們已知的粒子和相互作用機制對這些問題無法給出解釋!
從理論的角度來看，盡管粒子物理標準模型取得了巨大成功，但是標準模型仍存在缺陷，比如無法自然地解釋希格斯粒子質(zhì)量如此之小，也無法解釋不同費米子間質(zhì)量的巨大差異等。理論學家普遍認為存在超出粒子物理標準模型的新理論。自20世紀下半葉起，理論學家就發(fā)展了例如時空超對稱、額外維度等新物理模型，彌補標準模型的不足。很多這類理論都預測暗物質(zhì)是一種新的基本粒子，質(zhì)量大約在電弱對稱性破缺的能區(qū)(百GeV/c2至數(shù)個TeV/c2量級，類比一個質(zhì)子質(zhì)量約為0.938 GeV/c2)，并且與普通物質(zhì)有微弱的微觀相互作用。這類暗物質(zhì)粒子也被統(tǒng)稱為“弱相互作用重粒子”(weakly interacting massive particles，簡稱WIMPs)。新物理模型中的WIMPs和普通物質(zhì)的微弱相互作用，恰好可以使它們在早期宇宙脫離熱平衡，產(chǎn)生今天宇宙中觀測到的暗物質(zhì)密度!這樣“一石二鳥”解決粒子理論和宇宙學基本問題的“巧合”，也被稱為是“WIMPs奇跡”[1]，賦予了WIMPs極強的科學吸引力。1985年，Witten和Goodman首次提出，在深地極低本底實驗室通過高靈敏度探測器來搜尋WIMPs與原子核碰撞的反沖信號便可以“直接探測”WIMPs[2]。這個看似簡單的探測原理一直在激勵著全球許多實驗對暗物質(zhì)粒子開展探測。國際上空間站的暗物質(zhì)間接探測也非?；钴S。間接探測是指對宇宙中暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生的穩(wěn)定的末態(tài)粒子進行探測從而實現(xiàn)對暗物質(zhì)粒子的尋找和研究。實驗通常在太空中進行，可以顯著減少地球大氣層的干擾，例如丁肇中先生領(lǐng)導的阿爾法磁譜儀AMS-02實驗[3]和我國的“悟空”(DAMPE)暗物質(zhì)衛(wèi)星[4]，它們都在TeV能區(qū)的高能(正)電子譜中觀察到異常，或許和銀河系中WIMPs湮滅信號有關(guān)聯(lián)。
中微子是標準模型中和暗物質(zhì)性質(zhì)最為相似的“幽靈粒子”。1998—2002年間，日本超級神岡[5]和加拿大SNO地下實驗[6]分別利用大氣中微子和太陽中微子，發(fā)現(xiàn)“中微子振蕩”從而證實中微子有微小質(zhì)量，獲得了2015年的諾貝爾物理學獎。我國的大亞灣實驗也于2012年在國際上率先發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式。中微子質(zhì)量非常輕，不足以成為暗物質(zhì)候選者，但中微子或許同宇宙中正反物質(zhì)的不對稱性緊密聯(lián)系。1937年意大利物理學家馬約拉納提出中微子可能是自身的反粒子，即馬約拉納費米子。此后的研究表明，通過所謂的“蹺蹺板機制”[7]，馬約拉納中微子可以為中微子的微小質(zhì)量提供完美解釋;而早期宇宙中非對稱的正反(右手)馬約拉納中微子也可以解釋宇宙演化中的反物質(zhì)消失之謎[8]。1939年，溫德爾·福瑞便提出特定原子核中兩個中子同時發(fā)生貝塔衰變，但衰變末態(tài)中沒有中微子的過程——即無中微子雙貝塔衰變(neutrino-less double beta decay，NLDBD)——是馬約拉納中微子存在的判據(jù)，但這種極其稀有的衰變對探測器本底要求極高，科學家至今還未在地下實驗室中找到實驗證據(jù)。
對于暗物質(zhì)的探測以及中微子馬約拉納屬性的判斷，將為人類進一步認識物質(zhì)世界及其起源和演化打開新的大門?？茖W家們已經(jīng)花費了多年時間苦苦尋找暗物質(zhì)與無中微子雙貝塔衰變的過程，迄今為止，依然沒有發(fā)現(xiàn)確鑿信號。但是實驗物理學家從未停止追尋的腳步，試圖采用多種方式探測暗物質(zhì)和測量多種同位素的NLDBD信號，不斷壓低本底，提高探測器的探測靈敏度。下面本文將主要介紹液氙探測實驗技術(shù)，并介紹我國以暗物質(zhì)探測和無中微子雙貝塔衰變信號測量為主要目標的液氙探測實驗——PandaX的發(fā)展與未來規(guī)劃。
2 氙探測器基于氙(Xe)這種惰性氣體的探測器由1968年諾貝爾物理獎獲得者Luis Walter Alvarez發(fā)明。氙的原子序數(shù)是54，其平均摩爾質(zhì)量為131.3 g/mol。氙氣在空氣中的含量低于0.1 ppm(1 ppm=0.0001%)，商業(yè)生產(chǎn)中通過空氣分離和進一步的低溫精餾技術(shù)獲得高純氙氣，并通過制冷機或者液氮制冷冷卻到-100℃，形成密度約為3 g/cm3的液氙。液氙的高密度使得伽馬射線在液氙中具有較強的衰減性(100 keV的伽馬射線在液氙中的衰減長度約為0.25 cm)。
在過去的20年中，隨著氣體液化提純技術(shù)的飛速發(fā)展，大型液氙探測器逐漸成為國際上搜尋暗物質(zhì)和馬約拉納中微子的最前沿探測手段之一。2008年起，意大利的XENON實驗合作組首次利用液氙探測器，驗證了該技術(shù)對暗物質(zhì)探測的能力和潛力[9]。此后的10多年中，液氙探測器成為對100 GeV—10 TeV的大質(zhì)量WIMPs區(qū)域探測的國際上最為領(lǐng)先的探測技術(shù)。目前，歐洲的XENON[10]、美國的LUX[11](Large Underground Xenon Experiment)和我國的PandaX實驗[12，13]形成激烈競爭態(tài)勢。巧合的是，氙的天然同位素氙-136(天然豐度8.9%)可以發(fā)生雙貝塔衰變成為鋇-136，從而是NLDBD和馬約拉納中微子的理想探針。國際上基于氙-136的探測實驗包括美國的EXO-200(Enriched Xenon Observatory)實驗[14]和日本的KamLAND-ZEN實驗(氙溶入液體閃爍體中)[15]，它們在探測靈敏度上也是交替領(lǐng)先。
在基于液氙的暗物質(zhì)探測中，氙原子核質(zhì)量由于與WIMP粒子的質(zhì)量相匹配[16，17]，可以實現(xiàn)較大效率的能量沉積。“黃金道”的信號一般指的是彈性散射后原子核反沖的信號。近年來也有相當?shù)睦碚摷谊P(guān)注暗物質(zhì)和殼層電子散射后的信號[18]。而探測器本底主要是由外界的伽馬射線在探測器中踢出的電子(例如發(fā)生康普頓散射)產(chǎn)生的電子反沖信號，如圖1所示。這類探測器也被稱為氣液兩相型氙時間投影室(time projection chamber，TPC)，它們具有優(yōu)異的靶質(zhì)量以及對能量和3D位置的重建能力。如圖2所示，探測器的幾何結(jié)構(gòu)一般為圓柱形，易于安裝和調(diào)試。當入射粒子與探測器中的氙原子發(fā)生碰撞后，以氙激發(fā)態(tài)和電子離子對的形式沉積能量。其中，激發(fā)態(tài)氙原子與周圍的氙原子通過熱運動發(fā)生碰撞，產(chǎn)生氙的二聚態(tài)分子形式。這些氙的二聚態(tài)會在幾十納秒內(nèi)退激發(fā)，產(chǎn)生波長為178 nm的紫外閃爍光，通常被稱為S1[20，21]。另一方面，能量沉積中產(chǎn)生的氙離子有一定的概率與周圍的非束縛態(tài)電子重結(jié)合(recombination)，也會貢獻給S1。S1會被位于探測器兩端的光電倍增管(photomultipliers，PMTs)探測到。探測器內(nèi)通常有三重電極結(jié)構(gòu)，從下到上依次是陰極、門電極以及陽極。這樣的電極設(shè)置是為了探測能量沉積過程中和光子同時產(chǎn)生的電離電子。在漂移區(qū)域(陰極與門電極之間，為探測靈敏區(qū)域)，電離電子在電場的作用下向著陽極的方向移動。液氙液位位于陽極與門電極之間，此區(qū)域有較強的電場(10 kV/cm)用來從液氙里提拉出電子，電子在氣氙中加速產(chǎn)生二次的發(fā)光，并被PMTs探測到，構(gòu)成次級正比放大信號(S2)。
S1與S2同時攜帶反沖能量的信息。同時，TPC是一個有著高靈敏位置重建能力的探測技術(shù)：S1、S2在時間上的差異為電離電子漂移時間，隱含事例位置的在漂移方向的信息;而S2在頂部PMT上的分布可以重建出事例發(fā)生的水平位置。高精度的位置重建使探測器具備了“自屏蔽”的能力。此外，同時探測S1和S2具有很強的本底辨別能力：暗物質(zhì)信號產(chǎn)生的核反沖與伽馬本底產(chǎn)生的電子反沖相比，將會產(chǎn)生更大的電離密度從而導致更大的重結(jié)合概率，因此會有較小的S2/S1比例。圖3展示了PandaX-4T實驗測得的電子反沖和核反沖不同的信號響應(yīng)。
如圖4所示，暗物質(zhì)探測實驗中，除了液氙本身的自屏蔽效應(yīng)外，為了阻擋探測器外圍的放射性物質(zhì)進入探測器中心區(qū)域，一般會在探測器周圍包裹上屏蔽裝置。例如，在PandaX實驗中，我們在探測器的外圍搭建了常用的鉛、銅和聚乙烯組成的被動屏蔽體。來自探測器外圍的放射性本底主要分為兩類：中子本底和伽馬本底。由于富含氫元素，聚乙烯是很好的中子屏蔽材料。而對于伽馬本底，一般來講，越致密的物質(zhì)，其屏蔽效果越好，故而選用鉛和銅。
PandaX，其全稱為Particle and Astrophysical Xenon Experiments，合作組成立于2009年，近10年來蓬勃發(fā)展，目前具有70多位來自于4個國家十幾個單位的合作者。顧名思義，該實驗是采用氙探測器開展粒子與天體物理的交叉研究——即暗物質(zhì)和中微子研究。實驗基地位于由雅礱江水電和清華大學共同開發(fā)的四川涼山錦屏地下實驗室。錦屏地下實驗室是世界上埋藏最深的地下實驗室，其上方的2400 m厚的巖石層能夠保證深地實驗室中的宇宙射線背景信號降低到極低的水平(1個繆子/平方米/周);周圍巖石為大理石，放射性較低，自然條件非常優(yōu)越。實驗室里目前有清華大學主導的基于高純鍺CDEX實驗和上海交通大學牽頭的PandaX液氙實驗，兩個實驗的技術(shù)路線高度互補。在過去的10年中，PandaX合作組完成了兩代暗物質(zhì)實驗，取得了跨越性的進展(圖5)。
第一代120公斤級PandaX-I實驗一舉排除了多個國際實驗發(fā)現(xiàn)的疑似暗物質(zhì)信號[24]，被Science雜志專題報道。2010年前后，國際上有數(shù)個實驗，包括歐洲的DAMA/LIBRA和CRESST-II以及美國的CoGeNT和CDMS-II-Si，都宣稱在輕質(zhì)量區(qū)間發(fā)現(xiàn)了疑似暗物質(zhì)事例的超出。PandaX-I實驗有更高的靈敏度，運行后卻未發(fā)現(xiàn)疑似信號。那如何定量的理解這個“零結(jié)果”呢?可以做個類比，假設(shè)你用望遠鏡看一個遙遠的區(qū)域，當相機曝光很長時間之后，沒有看到星星，并不能說黑色區(qū)域沒有星星，只能說根據(jù)這么長時間的曝光量和望遠鏡的能力，即使那邊有星星，這些星星的亮度一定低于某一個值。與此同理，PandaX-Ⅰ實驗沒有看到暗物質(zhì)信號，不說明沒有暗物質(zhì)，但可以對暗物質(zhì)和普通物質(zhì)碰撞的幾率或者相互作用的強度設(shè)一個上限。圖6中的縱軸是WIMPs與核子的散射截面，即相互作用強度，橫軸是暗物質(zhì)的質(zhì)量，紅線以上的區(qū)域被排除。圖中也包括了上述多個國際上實驗曾發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)疑似信號區(qū)域，PandaX-I的實驗結(jié)果一舉將它們排除。
第二代580公斤級PandaX-II實驗，在同美國、歐洲實驗的激烈競爭中，兩度取得暗物質(zhì)和核子相互作用國際領(lǐng)先的限制，發(fā)表《物理評論快報》文章6篇[14，15，25—28]，他引1500余次，并且入選2016年度《科技導報》十大科學進展和2017年度美國物理學會亮點。圖7給出了2016年《物理評論快報》中PandaX-II低本底運行首個80天暗物質(zhì)探測結(jié)果，這是當時世界上正式發(fā)表的靈敏度最高、曝光量最大的液氙暗物質(zhì)探測結(jié)果，對暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)作出了最強的限制，可以看出，這個結(jié)果比美國LUX的探測結(jié)果在大質(zhì)量區(qū)提升了近3倍。此外，相比于PandaX-I，最低排除點從1.01×10-44 cm2@44.7 GeV/c2降低至2.5×10-46 cm2@40 GeV/c2，對于散射截面的限制增強了將近兩個數(shù)量級。
PandaX-II也于2019年首次利用液態(tài)自然氙探測器中的氙-136尋找NLDBD[29]，盡管結(jié)果相比EXO-200和KamLAND-ZEN還有差距，卻是國際上首次利用液氙暗物質(zhì)探測器尋找馬約拉納中微子，顯示了未來更大規(guī)模的液氙實驗開展多物理目標研究的強大潛力。
2018年，XENON1T實驗最新結(jié)果公布，實驗數(shù)據(jù)在原子核反沖的信號區(qū)間略有超出，盡管數(shù)據(jù)同純本底漲落仍然在1—2個標準方差內(nèi)一致(22%置信度)[12];2020年6月，XENON1T合作組公布了低能電子反沖的數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)了能譜上的疑似超出，可以被解釋為太陽軸子或中微子反常磁矩[30]，引起了學界的廣泛關(guān)注。暗物質(zhì)或處在被發(fā)現(xiàn)的邊緣!
我國的科學家也在和時間賽跑。錦屏地下實驗室二期建設(shè)通過“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目正式立項，建成后將成為國際上規(guī)模最大的深地實驗室。在科技部和基金委的支持下，PandaX合作組正在中國錦屏地下實驗室二期B2實驗廳開展下一代的4噸級PandaX-4T實驗的研究工作。PandaX-4T體量的升級帶來更大的自屏蔽效應(yīng)，進一步降低了外來的放射性本底，低本底、低閾值以及高精度能量和位置重建使其在馬約拉納中微子和天體中微子的研究中具有獨特的優(yōu)勢。2020年11月起，PandaX-4T實驗開始試運行。圖8給出了根據(jù)95天試運行數(shù)據(jù)發(fā)表的首個結(jié)果，再一次將國際上對暗物質(zhì)的限制提升了30%。雖然目前理論學家預測的暗物質(zhì)有可能存在的區(qū)間中有很大部分區(qū)域已經(jīng)被排除，但是還存在著更廣闊的空間等待人類去掃描。
而今，美國的LZ(7噸)實驗和歐洲的XENONnT(6噸)實驗也在緊鑼密鼓的進行中[31]。為了能夠抓住發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的契機，在進行PandaX-4T實驗的同時，合作組也在籌劃下一代更靈敏的實驗，希望可以觸及來自于太陽和大氣中微子帶來的所謂“中微子地板”(圖8中微子相干散射淡灰色區(qū)域上方的邊界線就是“中微子地板”)，對WIMP模型做出決定性判斷。下一代PandaX實驗的規(guī)劃是建設(shè)一個數(shù)十噸級可以逐步升級的探測器。它也將開展多個物理目標的研究：30噸的天然氙中將有2.7噸有效質(zhì)量的氙-136，加上液氙探測器高靈敏度的性能和對本底的“自屏蔽”抑制，可以以極高靈敏度開展NLDBD的研究尋找有效質(zhì)量至15 meV/c2的馬約拉納中微子;它也可以測量和研究來自于太陽、大氣層和古老超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子。
全球氙氣年產(chǎn)量為60—80噸，中國產(chǎn)能占比高達三分之一，其中我國寶武集團氙氣的產(chǎn)能占全國總產(chǎn)量的72%，高純氙氣生產(chǎn)工藝技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進位置，這使我國在氙氣來源方面具有強大的優(yōu)勢。PandaX實驗也計劃實現(xiàn)大規(guī)模自然氙的同位素分離技術(shù)，一旦有所發(fā)現(xiàn)，將通過分離后的氙同位素確定暗物質(zhì)同原子核作用是否存在自旋相關(guān)性、或確認馬約拉納中微子信號。
4 總結(jié)與展望在過去的十多年中，基于液氙探測器的一系列實驗與測量結(jié)果不斷涌現(xiàn)，共同推進了人類對宇宙本源問題的探索。我國的PandaX實驗，自2009年啟動，從無到有完成了PandaX-I、PandaX-II和PandaX-4T三代液氙探測器的建設(shè)，在獲得具有國際水平測量成果的同時，也顯示了利用更大規(guī)模液氙實驗開展多物理目標研究的強大潛力。“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”，我國如果成功在錦屏開展下一代數(shù)十噸級的液氙探測實驗，將可以在粒子物理和天體物理的交叉領(lǐng)域開展多項引領(lǐng)性的實驗研究，實現(xiàn)：(1)將暗物質(zhì)探測的靈敏度推進至“中微子地板”，對WIMP模型做出決定性判斷;(2)通過搜尋探測器中氙-136同位素的無中微子雙貝塔衰變，對馬約拉納中微子有效質(zhì)量測量提高至15 meV的靈敏度;(3)以極高靈敏度探測多種天體中微子。這些研究會使我國科學家有機會在宇宙最深層次問題的探索上取得突破，大幅度提升我國本領(lǐng)域的研究隊伍水平和尖端技術(shù)攻關(guān)的能力，甚至給我們帶來完全出乎意料的科學發(fā)現(xiàn)。
