*以下依据岳骞于2020年10月22日在高山大学四川锦屏山站的部门课程内容整顿而成，经老师考核后公然公布。点击文末阅读原文，相识更多。

讲课老师：岳骞，清华大学传授、 CDEX暗物质试验卖力人。

关于鬼魂般的暗物质，在上一篇文章中提到了三种研究要领：人工制造、间接探测和直接探测。而在中国锦屏地下试验室中的几个暗物质试验所采纳的要领，是直接探测法。

直接探测，现实上便是预备一个探测器，让它悄然默默呆在地球的一个角落，随着地球一路在太阳系和银河系中活动。探测器在活动历程中会和四周大概存在的暗物质“海”中的暗物质粒子产生“碰撞”。在核子反冲的作用下，探测器的靶物质会从暗物质那边得到一点能量。

这个能量只管极其微小，但仍大概酿成电、光或热等信号。我们可以使用差别的靶子和探测技能，捕获这些信号当中的一种，或两种信号的组合。

接着把暗物质粒子和一般物质相互作用后的种种参数（好比一般物质被暗物质粒子碰撞后得到的能量、反冲的偏向、反冲核数目等）记载下来，再使用这些参数举行阐发研究，给出暗物质粒子的一些特性。

道理听着格外简洁，但现实上，暗物质和一般物质相撞的几率极低。

总体上，人体巨细的靶子中的全部原子核与暗物质每秒相撞的次数远不到1，即便等上一成天，也不见得能赶上一次有所“互动”的碰撞。而相比之下，我们每天遭遇的宇宙射线和情况辐射“碰撞”就到达了108次以上。

技能偏向

以是，直接探测暗物质的重要思绪无非便是两点——增效（提拔暗物质的碰撞信号）和降本（屏蔽配景的滋扰信号）。

增效方面，一条路径是增添靶物质（即和暗物质举行碰撞的原子核）。这些靶物质就像是抓捕暗物质的猎人，猎人越多，捕获到猎物的概率也就越大。

别的一条路径是进步探测本领。暗物质粒子引起的靶核反冲的能量普通很小，通过低落探测器的能量阈（即可探测到的最小能量），我们就可以或许探测到更多碰撞变乱。

降本方面，我们一定想法去除或屏蔽两种辐射——情况辐射和探测器自身辐射。我们情况当中的放射性核素会在探测器中孕育发生配景信号，探测器自身携带的放射性核素也会孕育发生配景信号，这些配景信号都市对我们探测暗物质的试验孕育发生“滋扰”。

此中情况辐射可以通过屏蔽体系等低落其对试验的“滋扰”，探测器自身辐射可以通过质料纯化和自动丈量后去失的“反切合”方法淘汰其对试验的“滋扰”。

暗物质试验里每一个技能关键，根本都是奔着增效和降本的目标设计的。

⬛ 探测体系

国际上到达必然范围的主流探测体系重要分为两类：探测中等或重质量的暗物质普通采纳液氙或液氩，如上海交通大学牵头的PandaX项目；探测轻质量的暗物质，偏向于利用锗，如清华大学主导的CDEX项目，又称盘古打算。

1、液氙或液氩

当氙或氩和暗物质粒子孕育发生碰撞，起首会激发第一次发光效应；但除此之外它还存在电离效应，假如我们设计一个机制（好比在液氙或液氩介质中加一个电场）让这些电子飘出来，它能再触发第二次发光效应。

云云一来，一个事例能对应两次发光，不但有利于对暗物质的探测，并且通过研究两次发光效应的比例，科研职员能对伽马、暗物质等差别的粒子孕育发生的信号做出更正确的区分和甄别。

为了增效，我们把在常温与常压下处于气态的氙或氩置于零下100多度的情况中，让其液化，提拔靶子的密度。别的，液氙或液氩的探测体系，也从十年前的10公斤左右，做到了如今的约10吨重，而液氩试验乃至要做到数百吨量级。液氙和液氩靶子相对简单做大，这也是液氙液氩暗物质试验这几年进展得比力快的一个紧张缘故原由。

2、锗

人类最早的晶体管，现实上是用锗做的。厥后，由于硅制备技能进展起来，其质料资源充足且廉价，硅敏捷代替了锗成为半导体的主流质料。

不外在一些格外的地方，锗质料照旧有许多硅质料无法取代的用途。和氙或氩相比，锗探测器因其极低的能量阈而在轻质量暗物质探测方面具有竞争力。

但是，锗作为探测器，单个探测器的靶子不简单做大，必要多个靶子构成阵列团结开展暗物质征采事情以进步探测服从。

由于锗探测器比力贵，最初我们在韩国的试验中锗探测器的质量只有约莫5克。厥后我们得到基金委、教诲部、科技部以及清华大学的经费支持，在中国设置装备摆设了本身的地下试验室，并开始设计和设置装备摆设国际上第一块单体质量达一公斤的小点电极的锗探测器体系，固然谁人探测器利用的锗晶体体积不到拳头般大，但做成的探测器代价极其昂贵。

现实上，中国事全天下锗储量最高的国度，凌驾60%的锗元素在中国，重要漫衍在内蒙、云南等地。但是我们在锗的深度使用及与锗相干的尖端技能上弱一些。

如今一公斤99.999%（5个9）纯度的锗金属市场价约莫1万元，但我们购置的那一公斤的99.9999999999%高纯度锗晶体（12个9）做成的小点电极探测器代价凌驾200万，可以看到这些公司因为把握尖端技能而得到的利润庞大。

锗探测器晶体的要害技能不但在于多，更在于纯。这是为了降本，去除探测器自己的放射性同位素。

如今人类情愿费钱、花时间、花精神去得到的最纯的质料大概便是锗了，好比人们风俗佩带的金饰黄金，普通纯度大概才99.99%（4个9），但我们用的锗探测器，纯度一定在99.9999999999%（12个9）以上才气事情。

把锗从原质料制成高纯锗探测器，此中的技能关键非常多，每一个关键都必要专心盘算、试验、加工和测试，才气取得乐成，每一步都是挑衅。

⬛ 屏蔽体系

情况辐射粒子种类多，能量可以很高，穿透本领很强，情况辐射要怎么屏蔽，则必要动一动头脑。尤其是从天而降的宇宙射线，数目非常多，此中能量很高的缪子穿透力极强，可以穿透地下几百米深。

为了包管暗物质探测的敏锐度，我们一定把情况辐命中的宇宙射线数目低落1000万倍以上。

通例的情况辐射屏蔽方法是用水泥、铅等。病院X片室常用的屏蔽物质是铅板，是由于较薄的铅层就能有用遮挡住X射线。但暗物质试验中假如完全采纳铅来拦截宇宙线中的高能缪子，则必要百米厚以上，造价太高。

更可行的替换方案，是把探测器放到地下或水底，以充足深、充足厚的岩层或水层作为自然屏蔽。锦屏山地下2400米的试验室，便是使用山体屏蔽宇宙线的一个得天独厚的极好的地下试验室。

除了宇宙射线，有些情况的岩石存在很高的放射性，不光对人体有害，对试验也是极其有害。但荣幸的是，锦屏地下试验室的围岩放射性含量很低，一些放射性核素的含量比北京地域的岩石低了几百倍，黑白常抱负的低放射性围岩情况。

除了优选试验所在之外，清华大学向导开展的CDEX盘古高纯锗暗物质试验也给探测器设计了多层布局的屏蔽体。

高纯锗探测器的晶体先是真空封装在2mm厚的铜盒中——这层铜金属最好是在地下生长而成，由于永劫间安排在地面上的铜会由于宇宙射线轰击而孕育发生放射性，形成试验的滋扰源——接着在铜的外层，加装了约20kg的超纯碘化钠自动反切合探测器，再向外的屏蔽体依次是20cm厚的高纯无氧铜、20cm厚的总重约60吨的铅、以及厚度为1m的重达600多吨的聚乙烯。每一层布局，都是对来自差别位置的滋扰源举行屏蔽。

随着探测器的增大，在将来的吨级试验中，铅、铜、聚乙烯等布局的屏蔽作用会以液氮取代，我们打算把锗探测器吊挂在装有约2000立方米液氮的恒温器之中。

液氮不但能给高纯锗探测器提供一个低温的事情情况，同时在高纯锗探测器周围厚度凌驾5m的液氮也是精良的屏蔽质料，可以很好地拦截外部试验室的岩石和钢材等质料中的放射性，液氮自身带来的放射性本底也极低。

科研希望

暗物质直接探测试验的研究效果，可以用这张图来先容：

可以把这张图想象成平静洋，有些地区像马里亚纳海沟，水深1万多米，有的地区水深只有一两千米，我们在里边网鱼。每条线都代表着渔网，渔网扫过之处意味着没有抓到暗物质这种鱼，但下部地区渔网没有扫过的地方仍旧大概存在暗物质这种鱼。

一方面，我们一定进展深海技能对更多地区举行扫描；另一方面，我们也必要把网做细，可以抓捕个头小一点的鱼。

锦屏地下试验室自2010年开始运行。2013年，清华大学向导的CDEX盘古试验交出了中国在暗物质范畴的第一项直接探测试验效果。自2014年以来，盘古试验的1公斤锗探测器（CDEX-1）相继给出了多个暗物质物理模子下的国际最好效果。别的，10公斤锗探测器（CDEX-10）也在2018年得到了4-5GeV质量区间其时的国际最敏锐试验效果（见下图）。

不外，暗物质范畴的竞争比力猛烈，现在是意大利LNGS地下试验室的另一个试验在轻质量区给出了天下最领先的试验效果。但是领先上风比力小。

国际上多个暗物质试验组，包罗我们中国的“盘古”CDEX和“熊猫”PandaX在内，都在你争我赶、抢先恐后地开展试验事情，盼望可以或许尽早发觉暗物质。

科研与技能，1+1>2

前面也提到过：许多科研事情假如没有取得预期的研究结果，也不会心味着便是完全一无所得。只要根据科学要领专心事情，理论不管是被证明或被颠覆，都是科学上的一种劳绩。

除此之外，底子科学研究的另一层意义，在于它对尖端技能进展的牵引。

借助对暗物质的研究，中国正在霸占高纯锗尖端技能链条上的一个个技能和工艺的难点。从锗的极薄弱的放射性杂质操纵、到锗产业的“皇冠”辐射探测器级锗单晶体的生长、高纯锗半导体探测器制备、低温低本底低噪声电子学体系等技能关键，我的团队成员在一些技能关键上已经取得了跟国际偕行相称的程度，而且正在全链条不停深入研究，高兴把握高纯锗探测器自主研制的焦点技能。

在暗物质底子研究牵动高纯锗尖端技能的同时，取得的尖端技能结果也回过头来反哺了另一个环球瞩目标前沿科学题目的研究，那便是中微子研究。

在尺度模子里，6种轻子中包罗了3种中微子，而这三种中微子最初以为是没有质量的。但是终极试验证明白，中微子也有质量，这相称于在被科学家以为黑白常完善的粒子物理尺度模子的房间墙壁上凿出了一个孔，使得人类大概从今处观看粒子物理尺度模子之外的全新物理天下。

中微子性子研究也是当今粒子物理学界的研究核心之一。汗青上，中微子观点在1930年月被提出来之后，相干研究已经得到了4次诺贝尔奖，分别是1988、1995、2002及2015年。

如今中微子性子研究方面有一些非常紧张的科学课题，包罗中微子质量究竟是几多？中微子家庭中有三兄弟，他们体重谁重谁轻？科学家已经知道年老和二哥两人体重差未几，三弟和他们的体重差得比力多，但究竟是三弟比他们重，照旧比他们轻，现在还没有结论。

别的，另有一个紧张课题，我们知道物质天下中有物质和反物质之分。那么中微子也有反粒子，但是有一种理论以为中微子和它的反粒子是雷同的。这也是一个紧张的中微子性子，无中微子双贝塔衰变试验可以给出这个题目的答案。

非常巧的是，高纯锗中的锗-76同位素就大概会产生这种无中微子双贝塔衰变历程，并且因为高纯锗探测器超强的能量辨别本领、极高的自身段料纯度等特性，使得高纯锗技能在无中微子双贝塔衰变试验中具有非常好的技能上风。

是以，我们在使用高纯锗探测器丈量暗物质的同时，牢牢捉住高纯锗技能这个“牛鼻子”，通过设置装备摆设富集锗-76的探测体系，就可以同时开展暗物质直接探测和无中微子双贝塔衰变两个庞大前沿科学题目的试验研究。

结语

在我多年的科学研究进程中，一方面，我亲目睹证了我们国度的科研事情不停地向前迈进，取得了庞大成绩，另一方面也深刻地感觉到：科学研究的不停前进一刻都离不开我国经济的发达进展。

将来我国科学研究和经济进展必将越发相得益彰，相互促进，推动我国科技、经济、以致文化等各个范畴全面进展前进，取得令天下瞩目标巨大成绩。

※作者 | 岳骞

※整顿 | 邱施运

※编辑 | 朱珍