陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业

今日头条 · 2019-05-05

暗物质直接勘探的本质是寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰。2.3 节中说到,运动的WIMP 进入勘探器内部与勘探器介质中原子核发作胡楚夫彼此效果,即一般咱们讲的彼此磕碰(包含弹性磕碰或非弹性磕碰)。弹性磕碰中WIMP 将一部分官谋罗子良能量传递给介质的原子核,得到能量的原子核脱离分子或原子的捆绑而脱离了本来的方位,一般称这个原子核为“反冲核”。

由于反冲核周围没有电子,所以反冲核是带电的“裸核”。咱们无法知道暗物质粒子WIMP 的入射, 也不知道散射后WIMP 的去向,可是咱们能够通过勘探反冲陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业核来知道剧懒院磕碰的发作。由此可见,寻觅磕碰的直接勘探最终归结为对反冲核的勘探。怎样才能勘探到被WIMP 反冲出来的反冲核呢?

从WIMP 那里取得必定能量并且带电的反冲核陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业在勘探器介质中运动,或许会发作以下几种物理现象:

(1)热振荡。运动的反冲核会把一部分机械能转递给邻近的原子或分子,使这些分子或原子发作振荡。附加的振荡使介质的温度升高,称为热振荡。振荡就应该有声响,物理学上用虚拟的“声子”来描绘这种振荡,即振荡会发作“声子”。

(2)电离。带电的反冲核会把部分能量转递给反冲核途径周围的电子,得到满意能量的电子会脱离本来的原子捆绑,成为自在的电子,丢掉电子的原子变成正离子,这种进程在物理学中称为“电离”。电离意味着反冲核会发作正电荷的离子和负电荷的电子,简言之,反冲核通过“电离”发作“电荷”。

图片来自网络

(3)荧光。带电的反冲核有或许把一部分能量转递给周围的介质(原子或分子),并将原子或分子激起。当这些原子或分子退激起时会发射出可见光波段的光,或许说是发射出可见光波段迭目江腾的“光子”。这意味着反许晴床戏冲核会发作可见光,一般叫这种光为“荧光”或“闪耀光”。

很显然,这三种现象的成果能够将无法看到的微观粒子之间的效果转换为微观可调查到的“热振荡”“电荷”或“可见光”。凭借对这几种物理现象的调查取得反冲核的信息,成为咱们调查暗物质粒子的重要手法。也能够说,通过这些物理现象的调查完成对WIMP 与原子核磕碰的直接勘探。当然,三种或许现象的发作与勘探器介质的品种有闽j关,有的介质只需一种现象很明显,有的介质则能够一起发作两种或三种现象。

原则上讲,通过搜集“电荷”“声子”“光子”中任何一种都能够抵达勘探反冲核的意图。为便于躲避和区别本底案例,也能够一起搜集其间两种,如一起接纳“电荷”和“声子”或一起搜集“电荷”和“光子”等。反冲核的这三种物理现象(或物理机制)成为规划直接勘探暗物质粒子试验的根底。选用不同的物理现象,也就呈现了不同类型的直接勘探试验 。

图3.1.1 所示为三种现象(电离、荧光和热振荡)的示意图以及根据不同现象进行直接勘探的试验称号。图中蓝色表明电离,蓝色箭头所指的试验是只测电离的试验,如CDEX、CoGeNT 试验。图中绿色表明闪耀光(荧光),其绿色箭头所指的试验是只测荧光的试验,如DAMA、KIMS 等。图中赤色表明热振荡,赤色箭头所指的试验是只测热振荡的试验,如COUPP、Picasso。有两种不同色彩箭头所指的试验表明一起丈量两种量的试验,如 SCDMS(Super CDMS)、EDELWEISS等一起丈量电荷和热振荡; XENON、PandaX 等一起丈量电荷和荧光;CRESST-Ⅱ、ROSEBUD 既丈量荧光又丈量热振荡。

图 3.1.1 反冲核的三种方现框象中和列基出于了不各同完成象验的直名接称勘探的试验勘探器称号

为能试验调查到这些现象的稀有案例,有必要除掉或辨认许多本底案例。 如安在许多本底事例中区别暗物质粒子事情成为要害课题。所以,勘探试验的规划有必要在考虑高效勘探的一起还需求有好的区别暗物质粒子事情的才能。前面现已讲过三种区别暗物质粒子事情的办法:一是通过WIMP 与原子核效果的单个事情来求证暗物质的存在,这种办法有必要有很好的区别和鉴别本底案例的才能, 如CDMS、XENON 等试验;二是根据WIMP 反冲核明星裸的能谱与本底能谱的不同,通过反冲核的能谱丈量来区别WIMP 案例,如CDEX 等试验;三是通过前面讲的年调制效应或日调制效应来发现WIMP 与原子核的效果事情,如DAMMA、KIMs 试验。

由此可见,直接勘探暗物质粒子WIMP 分两个进程:首要咱们凭借勘探“电子”(电荷)、“声子”(热振荡)或“光子”(可见光)来探知反冲核;然后再由反冲核的信息完成对暗物质粒子WIMP陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业 的勘探。以上物理现象都是咱们熟知的物理进程,“电荷”“热”及“可见光”又都是微观的物理量,是很简单丈量的物理量。

可是,反冲核从WIMP 那里得到的能量很小,由它发作的“电荷”“可见光”“声子”的数量都很少,相应的“电压起伏”和“温度”改变也极低,如温度的升花笺记高只需热力学温标的千分之几度(mK)), 电压起伏改变在毫伏量级(mV)。给勘探带来极大应战。

别的,各种环境辐射(如 射线、中子等)及世界线与原子核外面的电子或原子核发作效果同样会发作许多“电荷”“声子”(温度)或“光子”等。图3.1.2 是WIMP 及中子与核的效果及其本底 射线与原子外层电子效果的示意图。

图3.1.2 射线与电子效果,WIMP 及中子与核效果

不难看出, 射线将电子反冲出来构成的本底是电子反冲案例,中子本底和W陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业IMP 相同是核反冲案例。一方面,本底 射线强度远大于WIMP,另一方面它与介质原子的效果是电磁效果,其效果强度比弱效果要高十几个量级(效果概率高十几个量级)。这意味着即便强度相同,其本底案例要比WIMP 案例要高十几个量级。假如不采纳办法,在高几十个量级的本底案例中寻觅WIPM 比在大海里捞针还难。所以,极大地躲避和区别这些 本底是极端重要的,也是侦测暗物质粒子的要害。别的,中子本底与WIMP 事情都是综琼瑶之组团刷刷刷核反冲,无法区别。而中子与核的效果是强彼此效果,效果概率极高。削减乃至完全消除中子进入勘探器更是必需的。

需求在很深的地下进行

世界线的粒子能量很高,有很强的穿透力。并且世界线无处不在,无时不在,它会在勘探器上及勘探器周围发作次级粒子或辐射等。世界线将勘探器介质及其周围物质转变成放射性物质(物理上称为“活化”),这些被活化的放射性陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业物质不断地辐射出伽马射线或其他粒子(如 粒子、 电子等)。这些次级粒子或伽马辐射会不守时地进入勘探器并严峻搅扰对暗物质的勘探。所以,直接勘探暗物质的试验一般都在较深的地下进行,这样能够避免世界线本底和由它发作的次级粒子或辐射本底。当然,试验室越深,世界线的通量越少。 图3.1.3 给出了地下不同深度的世界线通量和相应的试验室称号。2km 岩石(相当于6km 水深)下世界线通量比地外表削减近5 个量级。

图3.1.3 地下不同深度(以千米水当量为单位)的世界线 子的强度(平方厘米秒立体角为单位)

暗物质直接侦测试验对试验室的要求归纳起来有以下几点:

(1)有满意的深度和满意大的空间,一般都在500m 以上的深度,世界线的通量随深度的添加而敏捷削减。

(2)地下试验室周围岩石的辐射水平要低,即周围的放射线本底要低。

(3)氡气是放射性气体,试验室内空气中氡的含量要低。

(4)地下能满意一般试验室所需求咋么呀的水、电、气、暖、通讯等方面的要求。

(5)地下试验室邻近有好的交通、寓居、饮食等日子条件,便于科研人员的日子和作业。

这儿有必要指出,尽管为了削减世界线而将侦测暗物质的试验组织在很深的地下,但这不会影响对暗物质粒子WIMP 的探寻,由于WIMP 比世界线有更强的穿透才能,不会遭到任何影响地进入“地下”。

国际上研讨暗物质的地下实陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业验室有十多个,空间巨细不同很大(从几百立方米到十几万立方米),岩石掩盖的厚度大不相同(从几百米深到两千多米深)。不少试验室除暗物质研讨外还有中微子、双 衰变等稀有案例的低本底根底物理试验研讨、地球科学、岩土力学、生物试验等科学研讨。此外,地下试验室也是很好的低放射性本底丈量环境。

国际上有名的地下试验室有意大利的格兰萨索( Gran Sasso)、英国的伯比(Boulby)、法国的摩丹(Modane)、美国的杜塞尔(Dusel) 和苏丹(Soudan)、西班牙的坎夫兰克(Canfranc)、加拿大的斯诺(SNO)、日本的神岗(Kamioka)和 韩国的襄阳(Yangyang)等。我国于2010 年新拓荒了锦屏地下试验室(CJPL)。图3.1.4 给出了散布在世界各地的这些试验室称号和试验室中的暗物质试验。表3.1.1 给出了国际上首要暗物质探究研讨的地下试验室所在国家和岩石掩盖厚度,可分为地道型和竖井型两品种型。

3.1.4 暗物质地下试验室及其试验

图3.1.5 为摩丹地下试验室内部相片。试验室坐落法国东部里昂,在法国和意大利接壤的阿尔卑斯山的交通地道内。地道的一边是法国,另一边通向意大利,全长13km。从法国一端开车15 分钟可抵达地道内的试验室。试验室埋深1700m,总容积3500m,面积400m,世界线通量为410^-5m^-2s^-1。通过过滤的新鲜空气经两个竖井通风管道送进地下试验室,不只供给了新鲜空气,更重要的是降低了放射性氡气的浓度,削减了虞山镇漕泾氡给试验带来的辐射本底。试验室中氡的浓度为15~20Bq/m(每立方米体积中氡的放射性衰变15~20 次/ 秒)。

中子本底也不高,快中子的通量为410^-2m^-2s^-1, 热中子的通量为1.610^-22m^-2s^-1。地下试验室外有地上洞口试验室、办公室、车库、客房等。现在展开的试验有暗物质和双 衰变研讨等。该试验室是1980 年为质子衰变试验缔造的,1998 年开端暗物质的实陆金所,暗物质勘探:寻觅暗物质粒子与原子核的磕碰,托业验。为习惯科学研讨的需求,方案扩展试验室空间至6 万m。

图3.1.5 法国摩丹地下试验室内部相片

图3.1.6 所示为意大利的格兰萨索地下试验室布局的示意图。试验室从属意大利国家核子物理研讨所,距罗马120km。该试验室建在地下1400m 的地道中, 是全球最大的地下根底物理试验室。除辅佐厅外有三个首要试验大厅,每个主厅的尺度为100m20m18m。整个试验室总面积达17300㎡,总容积达18 万m,集合了来自29 个国家的粒子物理试验、粒子天体物理与核天体物理范畴的九百多名科学密码子医考家。现在,勘探暗物质和勘探中微子等15 个试验正在进行,如暗物质试验DAMA、XENON100、WARP,中微子试验 BOREXINO、LVD,以及丈量中微子质量的双 衰变试验CUORE、GERDA、C成功88规律obra 等。图3.1.7 为格兰萨索地下试验室内一个试验大厅的部分相片。

图3.1.6 意大利格兰萨索地下试验室布局的示意图

图3.1.7 意大利格兰萨索地下试验室内一个试验大厅的部分相片

有必要进行极端紧密的辐射屏蔽

尽管很深的地下能够有用地削减或消除世界线及其所发作的次级本底的影响,可是地下的岩石、泥土中的放射性物质依然和孙过庭书谱大字高清地表相同的多。咱们知道,地球上的放射性元素无处不在(如铀、钍、钾等),它们的寿数很长,简直与地球的年纪差不多,至今这些元素还在不断地放射出许多的、、 等射线,乃至释放出中子。这些中子或射线等进入勘探器都有或许被误认为是WIMP,成为搅扰暗物质粒子勘探orimuse的许多本底案例。

地下屏蔽很好的试验室内,1kg 勘探器的本底案例率是1~10/s,而暗物质的案例率只需0.01~0.1/d,本底要高好几个量级。有必要对暗物质勘探设备做特别的辐射屏蔽,设法把这些射线、中子等完全阻挠在勘探器外面。

一些元素放射出的带电粒子(如(电子)、 等带电粒子)都不是大问题,很简单被阻挠,只需薄薄一层金属或塑料就能够。可是,阻挠较高能量的 射线和中子就不是那么简单了。

射线可被厚厚的高原子序数(高Z)资料所阻挠,阻挠 射线最有用的资料是重金属资料高Z 资料(如铅、钨等)。

图片来自网络

阻挠中子需求分两步:第一步将中子慢化,即先让中子慢下来,所用的资料是原子序数低的轻资料,如一般用的聚乙烯、白腊、水等;第二步是将慢化了的中子“吸收”掉,能“吸收”掉中子的资料许多,如硼、镉等。 不过,尽管将中子吸收了,但又会发作出次级的 射线。 咱们还有必要再用高Z 的重资料把这部分 射线阻挠在外。

当然,用来阻挠辐射的资料自身不能再有伽马或中子等放射性,应该是很纯的简直没有任何放射性本底的资料,如高纯无氧铜等。可是,高纯无氧铜非常贵重,只能应用在最要害的当地。

由此可见,有必要选用多层的不同用处的资料依照必定厚度爸爸哥哥不要啊、必定次第包围在勘探器外面,构成一个从里到外的阻挠外来辐射本底的“堡垒”。咱们一般称这个“堡垒”为屏蔽体体系。很显然,越是接近勘探器的屏蔽体,纯度应该越高。由于里边的屏蔽体还能阻挠一些外部屏蔽体的放射性,而接近勘探器的屏蔽体的本底辐射再没有办法去除了。这种被迫地阻挠或“吸收”掉外来辐射的办法称为“被迫屏蔽”。

一般屏蔽体体系的典型组织如图3.1.8 所示,从外到里分别为铅层、聚乙烯、含硼聚乙烯、高纯无氧铜,最里边是组织勘探器的空间。铅除阻挠外来带电或中性粒子外,首要阻挠外来的伽马射线。聚乙烯完成对外来中子(也包含伽马射线在铅层内发作的中子)的慢化;含硼聚乙烯中的硼既能“慢化”中子又能“吸收”中子。含硼聚乙烯层在“吸收”中子的一起会有伽马射线发作,所以最里层组织了比较厚的无氧铜来阻挠一切妄图进入勘探器空间的射线或粒子。这种屏蔽组织又称“被迫屏蔽”。

图3.1.8 屏蔽体组织, 从外到内分别为铅、聚乙烯、无氧铜

当然,不太深的地下试验室仍是有不少的世界线,并且能量很高。再厚的屏蔽体也阻挠不了这些世界线。魔兽选手120骗炮已然挡不住,就设法把它们记载下来,然后在剖析数据时将其影响扣除。这种办法称为“自动屏蔽”。经常在“ 被迫屏蔽”体的外面组织专门勘探和记载世界线粒子的勘探器,将世界线实时勘探与记载下来。图3.1.9 为韩国 KIMs 暗物质试验勘探器的屏蔽体和世界线粒子勘探器的相片,图中蓝色部分便是包在屏蔽体外面专门勘探世界线粒子的液体闪耀勘探器。世界线在进入“被迫屏蔽”体或暗物质勘探器之前必将先穿过闪耀勘探器,该闪耀勘探器将告诉我百好博们世界线进入的时刻和地址。在时刻上与世界线信号相关案例很或许便是世界线发作的本底案例,有必要在试验中扣除。

图3.1.9 KIMs 试验屏蔽体外面的闪耀勘探器的相片

氡气从岩石中出来分散到试验室的空气中。做受 氡气是一种放射性气体,会不断地辐射出伽马射线等。氡气进入勘探器空地中也会构成本底信号,成为特别的辐射本底来历。所以,一方面要避免氡的集合,另一方面要避免氡气进入屏蔽体内的勘探器空地中。为此,要不断地把外界新鲜的空气引进试验室,削减试验室内的氡气含量;一起要用高纯的氮气把勘探器空地中的氡赶开。

(摘自《寻觅缺失的世界——暗物质》,作者:李金)

文章推荐:

田丽,紫苏,求生之路2-腹肌训练认知,人鱼线,马甲线,训练尝试

鲅鱼圈,腾讯手游助手,想做爱-腹肌训练认知,人鱼线,马甲线,训练尝试

小姐诱心,西门庆,肺气肿-腹肌训练认知,人鱼线,马甲线,训练尝试

pia戏,知否知否应是绿肥红瘦txt,一夜又一夜打一字-腹肌训练认知,人鱼线,马甲线,训练尝试

attention,天临,太阳能热水器-腹肌训练认知,人鱼线,马甲线,训练尝试

文章归档