美国开始寻找暗物质实验 灵敏度比上代高50倍

美国开始寻找暗物质实验 灵敏度比上代高50倍

WIMP(白色迹线)撞击实验探测器晶体内部的一个原子(灰色),则会导致晶格振动(蓝色)。

美国能源部已批准SuperCDMS SNOLAB实验的资助与建设,该实验于20世纪20年代初期开始运作,目标是寻找假想的暗物质微粒,被称为“弱相互作用的大颗粒”(简称WIMP)。实验的灵敏度至少比其前一代高50倍,探索其他实验无法探测的WIMP特性,并为研究人员提供了一个强大的新工具,以了解现代物理学最大的奥秘之一。

宇宙中可见的物质只占总物质的15%。其余是一种神秘物质,称为暗物质。由于它对规则物质的引力,暗物质是宇宙演化的关键驱动力,影响着银河系等星系的形成。因此,研究暗物质非常重要。

但是,科学家还没有找出暗物质是由什么构成的。一种说法认为它可能由暗物质粒子组成,而“弱相互作用的大颗粒”(WIMP)则是最可能的暗物质组成颗粒。如果这些粒子存在,它们几乎不会与环境相互作用,然而,每隔一段时间,它们都可能与我们可见世界的一个原子发生碰撞,暗物质研究人员正在寻找这些罕见的相互作用。

在SuperCDMS SNOLAB实验中,搜索工作将主要使用硅和锗晶体了来完成,其中碰撞会引发微小的振动。然而,为了测量原子跳动,晶体需要被冷却到-459.6华氏度(摄氏零下273.11度)以下,这一温度仅比绝对零度高一点。实验的名称为“低温暗物质搜索”(Cryogenic Dark Matter Search,或CDMS)。与以前的实验相比,现在的实验大大提高了粒子搜索的灵敏度。如果假想的弱相互作用的大质量粒子存在,它们撞击实验探测器晶体内部的一个原子,从而导致晶格振动,碰撞还会通过晶体发出电子增强振动。

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SuperCDMS暗物质实验将北美最深的地下实验室进行

该实验将在北美最深的地下实验室进行,它位于加拿大萨德伯里市附近地下镍矿,深度6800英尺(2072.64米)。在那里,不会产生背景信号干扰。

美国能源部科学办公室将捐款1900万美元,加上美国国家科学基金会(1200万美元)以及加拿大创新基金会(300万美元)资金,美国能源部正式批准了被称为关键决策2和3。研究人员现在可以建立实验,来自26个机构的111名成员将在美国能源部的SLAC国家加速器实验室的领导下进行合作实验。

美国开始寻找暗物质实验 灵敏度比上代高50倍

实验的核心将是四个内含六个检测包的检测器塔(左)安装在SNOBO塔中(右)

SLAC将提供四个检测塔,每个检测塔包含六个超大曲棍球形状的水晶,容器中的探测器包将冷却到几乎绝对零度的温度。预计到2018年底,第一座塔将建设完成。

加州大学伯克利分校的合作者Bernard Sadoulet说:“检测塔是实验中技术中最具挑战性的部分。”

除SLAC之外,还有两个美国国家实验室参与了该项目。费米国家加速器实验室正在研究实验的复杂屏蔽和低温基础设施,太平洋西北国家实验室正在帮助理解实验中的背景信号,这是检测微弱WIMP信号的关键。

许多美国和加拿大的大学也在实验中发挥关键作用,致力于从探测器制造和测试到数据分析和模拟等任务。最大的国际贡献来自加拿大,包括提供SNOLAB的研究基础设施。


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