SLAC 的研究人員使用純化的液態氙尋找神秘的暗物質粒子

 

在位于南達科他州一個廢棄金礦的地下 1 英里處，有一個巨大的圓筒，里面裝有 10 噸純化的液態氙，全世界 250 多名科學家密切關注。氙氣罐是 LUX-ZEPLIN ( LZ ) 實驗的核心，該實驗旨在探測暗物質——構成宇宙中 85% 物質的神秘無形物質。

 

教授丹·阿克里布 (Dan Akerib) 說：“人們尋找暗物質已經 30 多年了，但目前還沒有人有令人信服的發現。” 但在全球科學家、工程師和研究人員的幫助下，Akerib 和他的同事們使 LZ 實驗成為地球上最靈敏的粒子探測器之一。

 

為了達到這一點，SLAC 研究人員利用他們在處理液態惰性物質（惰性氣體的液態形式，如氙氣）方面的專業知識，包括推進用于純化液態惰性物質本身的技術以及用于檢測這些液體中稀有暗物質相互作用的系統。而且Akerib 說，研究人員所學到的知識不僅有助于尋找暗物質，而且有助于尋找稀有粒子物理過程的其他實驗。

 

“這些確實是大自然的奧秘，同時理解非常大和非常小的這種融合非常令人興奮，”Akerib 說。“我們有可能學到一些關于自然的全新事物。”  

 

尋找地下深處的暗物質

 

目前暗物質的主要候選者是弱相互作用的大質量粒子或 WIMP。然而，正如首字母縮略詞所暗示的那樣，WIMP 幾乎不與普通物質相互作用，因此很難被發現，盡管理論上它們中的許多人一直在我們身邊經過。

 

為了應對這一挑戰，LZ 實驗首先在前 Homestake 金礦的地下深處進行，該金礦現在是南達科他州鉛市的桑福德地下研究設施 (SURF)。在那里，該實驗得到了很好的保護，免受地球表面持續不斷的宇宙射線轟擊——這是一種背景噪聲源，可能使我們很難挑選出難以發現的暗物質。

 

即便如此，尋找暗物質也需要靈敏的探測器。出于這個原因，科學家們尋找惰性氣體，眾所周知，惰性氣體也不愿與任何東西發生反應。這意味著當暗物質粒子或 WIMP 與惰性氣體原子相互作用時可能發生的事情幾乎沒有選擇，因此科學家錯過已經很難發現的相互作用的可能性較低。

 

事實證明，“氙氣對于探測暗物質來說是一種特別好的稀有氣體，”Akerib 說。Akerib 解釋說，暗物質與原子核的相互作用最為強烈，并且隨著原子質量的增加，這種相互作用變得更加強烈。例如，氙原子的重量是氬原子的三倍多一點，但預計它們與暗物質的相互作用會強十倍以上。

 

另一個好處：“一旦你從液態氙中凈化了其他污染物，它本身就會非常安靜，”Akerib 說。換句話說，氙的自然放射性衰變不太可能妨礙檢測 WIMP 和氙原子之間的相互作用。

 

氙氣

 

Akerib 說，訣竅在于獲得純氙，沒有它，惰性氣體的所有好處都沒有實際意義。然而，純化的惰性氣體并不容易獲得——它們不與任何物質相互作用這一事實也意味著它們通常很難相互分離。而且，“不幸的是，您不能只購買現成的凈化器來凈化惰性氣體，”Akerib 說。

 

因此，SLAC 的 Akerib 和他的同事必須想出一種方法來凈化探測器所需的所有液態氙氣。

 

氙氣中最大的污染物是氪，它是第二輕的惰性氣體。為了防止氪成為粒子探測器的氪石，Akerib 和他的同事們花了幾年時間完善了一種使用所謂的氣相木炭色譜法的氙氣凈化技術?；舅枷胧钱敾旌衔锿ㄟ^某種介質時，根據它們的化學性質分離混合物中的成分。氣相木炭色譜使用氦氣作為混合物的載氣，木炭作為分離介質。

 

“你可以把氦氣想象成一股穿過木炭的穩定微風，”Akerib 解釋說。“每個氙和氪原子都會花費一小部分時間粘在木炭上，而有些時間則不粘在上面。當原子處于未粘連狀態時，氦風會將它們吹下柱子。” 稀有氣體原子越小，粘性越小，這意味著氪比氙的粘性稍小，因此它會被不粘性的氦“微風”吹走，從而將氙與氪分離。研究人員隨后可以捕獲氪并將其丟棄，然后回收氙。

 

LZ 實驗并不是 SLAC 參與的第一個嘗試用氙氣尋找新物理的實驗。從 2011 年到 2018 年進行的濃縮氙天文臺實驗 (EXO-200) 分離出一種特定的氙同位素，以尋找一種稱為無中微子雙β衰變的過程。實驗結果表明該過程非常罕見，但一項名為Next EXO (nEXO) 的新提議搜索將使用類似于 LZ 的檢測器繼續搜索。

 

一種不同類型的電網

 

不管探測器里裝的是什么稀有液體，如果科學家們希望找到像暗物質這樣的東西，一個復雜的探測系統都是至關重要的。用于 LZ 實驗的液態氙燈塔的上方和下方是大型高壓電網，可在探測器中產生電場。如果是暗物質，粒子與氙原子碰撞并擊落一些電子，它會從原子中釋放一些電子并單獨產生一束光，可以被光電探測器檢測到。穿過探測器的電場將自由電子向上驅動到圓柱體頂部的一層薄薄的氣體中，在那里它們產生第二個光信號。“我們可以將第二個信號與原始信號一起使用，以了解有關位置、能量、粒子類型等的大量信息，”Linehan 說。

 

但這些不是普通的電網——它們承載著數萬伏的電壓，電壓如此之高，以至于線柵上的任何微小的灰塵或碎屑都會引起自發反應，從而將電子從電線本身中剝離出來，Linehan 說。“這些電子可以產生看起來就像來自氙氣的電子一樣的信號，”從而掩蓋了他們試圖檢測的信號。