SLAC 的研究人员使用纯化的液态氙寻找神秘的暗物质粒子

在位于南达科他州一个废弃金矿的地下 1 英里处，有一个巨大的圆筒，里面装有 10 吨纯化的液态氙，全世界 250 多名科学家密切关注。氙气罐是 LUX-ZEPLIN ( LZ ) 实验的核心，该实验旨在探测暗物质——构成宇宙中 85% 物质的神秘无形物质。

教授丹·阿克里布 (Dan Akerib) 说：“人们寻找暗物质已经 30 多年了，但目前还没有人有令人信服的发现。” 但在全球科学家、工程师和研究人员的帮助下，Akerib 和他的同事们使 LZ 实验成为地球上最灵敏的粒子探测器之一。

为了达到这一点，SLAC 研究人员利用他们在处理液态惰性物质（惰性气体的液态形式，如氙气）方面的专业知识，包括推进用于纯化液态惰性物质本身的技术以及用于检测这些液体中稀有暗物质相互作用的系统。而且Akerib 说，研究人员所学到的知识不仅有助于寻找暗物质，而且有助于寻找稀有粒子物理过程的其他实验。

“这些确实是大自然的奥秘，同时理解非常大和非常小的这种融合非常令人兴奋，”Akerib 说。“我们有可能学到一些关于自然的全新事物。”  

寻找地下深处的暗物质

目前暗物质的主要候选者是弱相互作用的大质量粒子或 WIMP。然而，正如首字母缩略词所暗示的那样，WIMP 几乎不与普通物质相互作用，因此很难被发现，尽管理论上它们中的许多人一直在我们身边经过。

为了应对这一挑战，LZ 实验首先在前 Homestake 金矿的地下深处进行，该金矿现在是南达科他州铅市的桑福德地下研究设施 (SURF)。在那里，该实验得到了很好的保护，免受地球表面持续不断的宇宙射线轰击——这是一种背景噪声源，可能使我们很难挑选出难以发现的暗物质。

即便如此，寻找暗物质也需要灵敏的探测器。出于这个原因，科学家们寻找惰性气体，众所周知，惰性气体也不愿与任何东西发生反应。这意味着当暗物质粒子或 WIMP 与惰性气体原子相互作用时可能发生的事情几乎没有选择，因此科学家错过已经很难发现的相互作用的可能性较低。

事实证明，“氙气对于探测暗物质来说是一种特别好的稀有气体，”Akerib 说。Akerib 解释说，暗物质与原子核的相互作用最为强烈，并且随着原子质量的增加，这种相互作用变得更加强烈。例如，氙原子的重量是氩原子的三倍多一点，但预计它们与暗物质的相互作用会强十倍以上。

另一个好处：“一旦你从液态氙中净化了其他污染物，它本身就会非常安静，”Akerib 说。换句话说，氙的自然放射性衰变不太可能妨碍检测 WIMP 和氙原子之间的相互作用。

氙气

Akerib 说，诀窍在于获得纯氙，没有它，惰性气体的所有好处都没有实际意义。然而，纯化的惰性气体并不容易获得——它们不与任何物质相互作用这一事实也意味着它们通常很难相互分离。而且，“不幸的是，您不能只购买现成的净化器来净化惰性气体，”Akerib 说。

因此，SLAC 的 Akerib 和他的同事必须想出一种方法来净化探测器所需的所有液态氙气。

氙气中最大的污染物是氪，它是第二轻的惰性气体。为了防止氪成为粒子探测器的氪石，Akerib 和他的同事们花了几年时间完善了一种使用所谓的气相木炭色谱法的氙气净化技术。基本思想是当混合物通过某种介质时，根据它们的化学性质分离混合物中的成分。气相木炭色谱使用氦气作为混合物的载气，木炭作为分离介质。

“你可以把氦气想象成一股穿过木炭的稳定微风，”Akerib 解释说。“每个氙和氪原子都会花费一小部分时间粘在木炭上，而有些时间则不粘在上面。当原子处于未粘连状态时，氦风会将它们吹下柱子。” 稀有气体原子越小，粘性越小，这意味着氪比氙的粘性稍小，因此它会被不粘性的氦“微风”吹走，从而将氙与氪分离。研究人员随后可以捕获氪并将其丢弃，然后回收氙。

LZ 实验并不是 SLAC 参与的第一个尝试用氙气寻找新物理的实验。从 2011 年到 2018 年进行的浓缩氙天文台实验 (EXO-200) 分离出一种特定的氙同位素，以寻找一种称为无中微子双β衰变的过程。实验结果表明该过程非常罕见，但一项名为Next EXO (nEXO) 的新提议搜索将使用类似于 LZ 的检测器继续搜索。

一种不同类型的电网

不管探测器里装的是什么稀有液体，如果科学家们希望找到像暗物质这样的东西，一个复杂的探测系统都是至关重要的。用于 LZ 实验的液态氙灯塔的上方和下方是大型高压电网，可在探测器中产生电场。如果是暗物质，粒子与氙原子碰撞并击落一些电子，它会从原子中释放一些电子并单独产生一束光，可以被光电探测器检测到。穿过探测器的电场将自由电子向上驱动到圆柱体顶部的一层薄薄的气体中，在那里它们产生第二个光信号。“我们可以将第二个信号与原始信号一起使用，以了解有关位置、能量、粒子类型等的大量信息，”Linehan 说。

但这些不是普通的电网——它们承载着数万伏的电压，电压如此之高，以至于线栅上的任何微小的灰尘或碎屑都会引起自发反应，从而将电子从电线本身中剥离出来，Linehan 说。“这些电子可以产生看起来就像来自氙气的电子一样的信号，”从而掩盖了他们试图检测的信号。