號稱在世界三大直接探測暗物質(zhì)粒子實(shí)驗(yàn)中靈敏度最高，有望最先捕獲暗物質(zhì)中弱相互作用重粒子（WIMPs）的美國LUX-ZEPLIN（LZ）實(shí)驗(yàn)近日宣布重大進(jìn)展：該項(xiàng)目順利通過美國能源部（DOE）第三階段評審，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)方案被確定為最終版本，并正式開始建造工作。

暗物質(zhì)在宇宙成分中占比高達(dá)85%，提出至今已有80年之久，但現(xiàn)有證據(jù)完全基于引力測量等間接觀測，還沒有獲得直接觀測的第一手資料，因此其粒子特性仍保持神秘。歐洲、中國和美國已開始布局下一代暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)，在這一基礎(chǔ)物理研究最前沿領(lǐng)域展開良性競爭，希望奪得“第一”的寶座。

LZ實(shí)驗(yàn)探測裝置建在斯坦福大學(xué)地下研究設(shè)施中

LZ設(shè)計(jì)原理是，當(dāng)暗物質(zhì)粒子與液氙原子碰撞時(shí)，液氙腔內(nèi)的電子會向頂部飄移，迅速產(chǎn)生閃光。這些攜帶暗物質(zhì)粒子信號的光脈沖，會被排列在大型容器內(nèi)的500個(gè)光擴(kuò)增管捕獲。

LZ這次加快進(jìn)程，力爭2020年4月前完工并投入使用，勢必會讓美國在競爭中更具優(yōu)勢。

LZ實(shí)驗(yàn)誕生始末

LZ實(shí)驗(yàn)由美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)管理，選址建在斯坦福大學(xué)地下研究設(shè)施（SURF）中，探測裝置將被放置在地下約1609米深處，除主要探測WIMPs，也將捎帶對軸子和中微子等展開探測。

2012年國際團(tuán)隊(duì)提出，將大型地下氙（LUX）項(xiàng)目和液態(tài)惰性氣體閃光實(shí)驗(yàn)（ZEPLIN）合二為一，組建世界上直接探測WIMPs最靈敏的LZ項(xiàng)目。2015年上半年，LZ通過第一階段評估，被確定為能源部項(xiàng)目，并隨后出臺這一階段的概念設(shè)計(jì)報(bào)告；2016年8月，LZ通過第二階段審議，望遠(yuǎn)鏡、制造成本和時(shí)間表等關(guān)鍵議題均最終敲定；而在這次第三階段評審會上，能源部正式批準(zhǔn)了最后設(shè)計(jì)方案，來自美國、英國、葡萄牙、俄羅斯和韓國等國37個(gè)研究機(jī)構(gòu)的近220位科學(xué)家和工程師將展開合作，用7噸液氙探測銀河系暗物質(zhì)與普通物質(zhì)間的弱相互作用。

LZ設(shè)計(jì)原理是，當(dāng)暗物質(zhì)粒子與液氙原子碰撞時(shí)，液氙腔內(nèi)的電子會向頂部飄移，迅速產(chǎn)生閃光。這些攜帶暗物質(zhì)粒子信號的光脈沖，會被排列在大型容器內(nèi)的500個(gè)光擴(kuò)增管捕獲。

面臨兩大競爭對手

中國在暗物質(zhì)直接探測領(lǐng)域表現(xiàn)出極大競爭力。位于屏錦地下實(shí)驗(yàn)室的暗物質(zhì)直接探測項(xiàng)目CDEX和PandaX近年發(fā)表了多次探測結(jié)果，其中PandaX項(xiàng)目也是基于液氙技術(shù)。中國還在積極推進(jìn)這些實(shí)驗(yàn)的二期建設(shè)，力爭5年到10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)：利用20噸到30噸級的液態(tài)氙實(shí)驗(yàn)，探測大質(zhì)量暗物質(zhì)粒子；用1噸級高純鍺實(shí)驗(yàn)探測輕質(zhì)量暗物質(zhì)；并積極參與國際合作。

歐洲下一代暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)主要基于3.5噸級液氙XENON1T和后續(xù)6噸級的XENONnT。XENON1T建造在意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室，位于地下1400米深處，已在2015年末開始運(yùn)行，但靈敏度不及已在2016年“退位”的LUX項(xiàng)目。而LZ的靈敏度提升為LUX的50倍，歐洲雖然在“起跑”時(shí)間上領(lǐng)先一步，但美國的LZ能容納10噸液態(tài)氙，且靈敏度更高，誰最先探測到WIMPs，尚難預(yù)料。

LZ項(xiàng)目發(fā)言人、馬里蘭大學(xué)物理學(xué)副教授卡特·霍爾表示，暗物質(zhì)研究具有強(qiáng)大吸引力，深受全世界物理學(xué)家們追捧，因此，這類研究競爭是良性和友好的，獲得重大發(fā)現(xiàn)是同類研究的共同目的。

加快進(jìn)程不甘落后

但競爭畢竟存在。在這么重要的領(lǐng)域，在同樣使用液氙探測暗物質(zhì)信號中落后一步，美國當(dāng)然不會心甘，因此決定加快日程，早日完工。

斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)為LZ實(shí)驗(yàn)所用的液氙進(jìn)行提純，主要去掉標(biāo)準(zhǔn)提純過程無法清除的痕量氪元素。雖然提純后的液氙目前已符合LZ實(shí)驗(yàn)要求，但該實(shí)驗(yàn)室還在繼續(xù)研發(fā)新方法，進(jìn)一步提高氙的純度。

LZ實(shí)驗(yàn)所需的線網(wǎng)已接受多次檢測，為確保這些線網(wǎng)在高壓實(shí)驗(yàn)中沒有絲毫漏電，“淹沒”暗物質(zhì)產(chǎn)生的微弱信號，全尺寸網(wǎng)線還將在今年晚些時(shí)候安裝到SLAC的測試平臺，進(jìn)行實(shí)地測試。

為排除背景干擾，充滿液氙的大容器周圍需要環(huán)繞另一個(gè)充滿液體的容器罐和光電倍增管，這些管道將用世界上超純的金屬鈦制成，正在由英方工作人員進(jìn)行組裝；另一個(gè)容器罐中的超純能閃光液體也準(zhǔn)備就緒。具有濾塵功能的無塵工作室和無氡建筑也在加速建設(shè)當(dāng)中。氡具有天然放射性，會對暗物質(zhì)探測造成干擾。為排除各種背景信號，LZ實(shí)驗(yàn)組考慮周全，力求完美。

因美國能源部此次承諾購買建造LZ系統(tǒng)的幾乎所有大型組件，參與實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們信心倍增，并承諾會按照設(shè)定的時(shí)間表完工，第一個(gè)將暗物質(zhì)信號“囊入懷中”。