研究人员深入地下，希望最终观测到暗物质

在南达科他州的深处，科学家们正在寻找看不见的东西。

LZ是一种超灵敏的机器，有一天可能会探测到暗物质粒子。

这篇文章最初发表在《对话》上。该出版物将这篇文章贡献给了太空网的专家之声：Op-Ed&Insights。

像我这样的物理学家还不完全了解宇宙中83%的物质是什么——我们称之为“暗物质”。但有了一个装满氙的罐子，它埋在南达科他州地下近一英里的地方，我们也许有一天能够测量到暗物质的真正含义。

在典型的模型中，暗物质占据了宇宙中大部分的引力，为星系（包括我们自己的银河系）等结构的形成提供了粘合剂。当太阳系围绕银河系中心运行时，地球穿过暗物质晕，暗物质晕构成了我们银河系中的大部分物质。

这幅艺术家的插图展示了银河系周围巨大的热气晕（蓝色）。此外，在银河系的左下角，还显示了大小麦哲伦云，这是两个相邻的小星系。气体晕的半径约为300000光年，尽管它可能会延伸得更远。

我是一名物理学家，对理解暗物质的本质很感兴趣。一种流行的猜测是，暗物质是一种新型粒子，即弱相互作用大质量粒子（WIMP）。“WIMP”很好地捕捉到了粒子的本质——它有质量，这意味着它在引力上相互作用，但在其他方面，它与正常物质的相互作用非常微弱——或者很少。理论上，银河系中的WIMP一直在地球上飞过我们，但由于它们之间的相互作用很弱，所以它们什么也没碰到。

寻找WIMP在过去的30年里，科学家们开发了一个实验程序，试图检测WIMP和规则原子之间罕见的相互作用。然而，在地球上，我们经常被来自环境中微量元素（主要是铀和钍）以及来自太空的宇宙射线的低水平、无危险的放射性所包围。寻找暗物质的目标是建造一个尽可能灵敏的探测器，这样它就可以看到暗物质，并把它放在尽可能安静的地方，这样就可以在背景放射性上看到暗物质信号。

随着2023年7月公布的结果，LUX-ZEPLIN或LZ的合作已经做到了这一点，建造了迄今为止最大的暗物质探测器，并在南达科他州Lead的桑福德地下研究设施的地下4850英尺（1478米）处运行。

LZ的中心放置着10公吨（10000公斤）的液态氙。当粒子穿过探测器时，它们可能会与氙原子碰撞，导致闪光和电子释放。

LZ探测器中的粒子与氙相互作用，释放出由顶部和底部的两个光感测阵列检测到的光。

在LZ中，两个巨大的电网在液体体积上施加电场，将这些释放的电子推向液体表面。当它们突破表面时，会被拉入充满氙气的液体上方的空间，并被另一个电场加速，产生第二道闪光。

两个大型光传感器阵列收集这两种闪光，它们使研究人员能够重建发生的相互作用的位置、能量和类型。

减少放射性地球上的所有材料，包括WIMP探测器结构中使用的材料，都会发出一些辐射，可能会掩盖暗物质的相互作用。因此，科学家们使用他们能在探测器内外找到的最“放射性纯”的材料——也就是说，不含放射性污染物——来建造暗物质探测器。

例如，通过与金属铸造厂合作，LZ能够使用地球上最清洁的钛来制造容纳液态氙的中央圆柱体或低温恒温器。使用这种特殊的钛可以降低LZ中的放射性，创造一个清晰的空间来观察任何暗物质的相互作用。此外，液态氙密度如此之大，以至于它实际上起到了辐射屏蔽的作用，而且很容易净化氙中可能潜入的放射性污染物。

在LZ的内部探测器中，顶部和底部的两个光敏阵列看到了一个将充满液态氙的中心圆柱体。

在LZ中，中心氙探测器位于另外两个探测器内，分别称为氙皮探测器和外部探测器。这些支撑层在进出中央氙室的过程中捕获放射性物质。因为暗物质相互作用非常罕见，所以一个暗物质粒子在整个装置中只会相互作用一次。因此，如果我们在氙或外部探测器中观察到一个具有多重相互作用的事件，我们可以假设它不是由WIMP引起的。

搜寻仍在继续。在刚刚公布的结果中，使用60天的数据，LZ在探测器中每天记录了大约5个事件。这比表面上典型的粒子探测器一天内记录的事件少了大约一万亿次。通过观察这些事件的特征，研究人员可以放心地说，到目前为止，没有任何相互作用是由暗物质引起的。遗憾的是，结果并不是新物理学的发现——但我们可以限制弱暗物质相互作用的确切程度，因为LZ仍然看不到它。

这些限制有助于告诉物理学家什么不是暗物质——LZ比世界上任何实验都做得更好。与此同时，在寻找暗物质的过程中，下一步会有希望。LZ现在正在收集更多的数据，我们预计在未来几年将收集超过15倍的数据。WIMP交互可能已经在该数据集中，只是等待在下一轮分析中揭示。

这篇文章最初由The Conversation发表。