*以下根据岳骞于2020年10月22日在高山大学四川锦屏山站的部分课程内容整理而成，经老师审核后公开发布。点击文末阅读原文，了解更多。

授课老师：岳骞，清华大学教授、 CDEX暗物质实验负责人。

关于幽灵般的暗物质，在上一篇文章中提到了三种研究方法：人工制造、间接探测和直接探测。而在中国锦屏地下实验室中的几个暗物质实验所采用的方法，是直接探测法。

直接探测，实际上就是准备一个探测器，让它静静呆在地球的一个角落，随着地球一起在太阳系和银河系中运动。探测器在运动过程中会和周围可能存在的暗物质“海”中的暗物质粒子发生“碰撞”。在核子反冲的作用下，探测器的靶物质会从暗物质那里获得一点能量。

这个能量尽管极其微小，但仍可能变成电、光或热等信号。我们可以利用不同的靶子和探测技术，捕捉这些信号当中的一种，或两种信号的组合。

接着把暗物质粒子和普通物质相互作用后的各种参数（比如普通物质被暗物质粒子碰撞后获得的能量、反冲的方向、反冲核数量等）记录下来，再利用这些参数进行分析研究，给出暗物质粒子的一些特性。

原理听着特别简单，但实际上，暗物质和普通物质相撞的几率极低。

总体上，人体大小的靶子中的所有原子核与暗物质每秒相撞的次数远不到1，即便等上一整天，也不见得能遇上一次有所“互动”的碰撞。而相比之下，我们每天遭遇的宇宙射线和环境辐射“碰撞”就达到了108次以上。

技术方向

所以，直接探测暗物质的主要思路无非就是两点——增效（提升暗物质的碰撞信号）和降本（屏蔽背景的干扰信号）。

增效方面，一条路径是增加靶物质（即和暗物质进行碰撞的原子核）。这些靶物质就像是抓捕暗物质的猎人，猎人越多，捕捉到猎物的概率也就越大。

另外一条路径是提高探测能力。暗物质粒子引起的靶核反冲的能量一般很小，通过降低探测器的能量阈（即可探测到的最小能量），我们就能够探测到更多碰撞事件。

降本方面，我们必须设法去除或屏蔽两种辐射——环境辐射和探测器自身辐射。我们环境当中的放射性核素会在探测器中产生背景信号，探测器自身携带的放射性核素也会产生背景信号，这些背景信号都会对我们探测暗物质的实验产生“干扰”。

其中环境辐射可以通过屏蔽系统等降低其对实验的“干扰”，探测器自身辐射可以通过材料纯化和主动测量后去掉的“反符合”办法减少其对实验的“干扰”。

暗物质实验里每一个技术环节，基本都是奔着增效和降本的目的设计的。

⬛ 探测系统

国际上达到一定规模的主流探测系统主要分为两类：探测中等或重质量的暗物质一般采用液氙或液氩，如上海交通大学牵头的PandaX项目；探测轻质量的暗物质，倾向于使用锗，如清华大学主导的CDEX项目，又称盘古计划。

1、液氙或液氩

当氙或氩和暗物质粒子产生碰撞，首先会引发第一次发光效应；但除此之外它还存在电离效应，如果我们设计一个机制（比如在液氙或液氩介质中加一个电场）让这些电子飘出来，它能再触发第二次发光效应。

如此一来，一个事例能对应两次发光，不仅有利于对暗物质的探测，而且通过研究两次发光效应的比例，科研人员能对伽马、暗物质等不同的粒子产生的信号做出更准确的区分和甄别。

为了增效，我们把在常温与常压下处于气态的氙或氩置于零下100多度的环境中，让其液化，提升靶子的密度。另外，液氙或液氩的探测系统，也从十年前的10公斤左右，做到了现在的约10吨重，而液氩实验甚至要做到数百吨量级。液氙和液氩靶子相对容易做大，这也是液氙液氩暗物质实验这几年发展得比较快的一个重要原因。

2、锗

人类最早的晶体管，实际上是用锗做的。后来，因为硅制备技术发展起来，其原料资源充沛且便宜，硅迅速取代了锗成为半导体的主流材料。

不过在一些特别的地方，锗材料还是有很多硅材料无法代替的用途。和氙或氩相比，锗探测器因其极低的能量阈而在轻质量暗物质探测方面具有竞争力。

但是，锗作为探测器，单个探测器的靶子不容易做大，需要多个靶子组成阵列联合开展暗物质搜寻工作以提高探测效率。

因为锗探测器比较贵，最初我们在韩国的实验中锗探测器的质量只有大约5克。后来我们得到基金委、教育部、科技部以及清华大学的经费支持，在中国建设了自己的地下实验室，并开始设计和建设国际上第一块单体质量达一公斤的小点电极的锗探测器系统，虽然那个探测器使用的锗晶体体积不到拳头般大，但做成的探测器价值极其昂贵。

实际上，中国是全世界锗储量最高的国家，超过60%的锗元素在中国，主要分布在内蒙、云南等地。可是我们在锗的深度利用及与锗相关的尖端技术上弱一些。

现在一公斤99.999%（5个9）纯度的锗金属市场价大约1万元，但我们购买的那一公斤的99.9999999999%高纯度锗晶体（12个9）做成的小点电极探测器价值超过200万，可以看到这些公司由于掌握尖端技术而获得的利润巨大。

锗探测器晶体的关键技术不仅在于多，更在于纯。这是为了降本，去除探测器本身的放射性同位素。

现在人类愿意花钱、花时间、花精力去获得的最纯的材料可能就是锗了，比如人们习惯佩戴的首饰黄金，一般纯度可能才99.99%（4个9），但我们用的锗探测器，纯度必须在99.9999999999%（12个9）以上才能工作。

把锗从原材料制成高纯锗探测器，其中的技术环节非常多，每一个环节都需要认真计算、实验、加工和测试，才能取得成功，每一步都是挑战。

⬛ 屏蔽系统

环境辐射粒子种类多，能量可以很高，穿透能力很强，环境辐射要怎么屏蔽，则需要动一动脑筋。尤其是从天而降的宇宙射线，数量非常多，其中能量很高的缪子穿透力极强，可以穿透地下几百米深。

为了保证暗物质探测的灵敏度，我们必须把环境辐射中的宇宙射线数量降低1000万倍以上。

常规的环境辐射屏蔽办法是用水泥、铅等。医院X片室常用的屏蔽物质是铅板，是因为较薄的铅层就能有效遮挡住X射线。但暗物质实验中如果完全采用铅来阻挡宇宙线中的高能缪子，则需要百米厚以上，造价太高。

更可行的替代方案，是把探测器放到地下或水底，以足够深、足够厚的岩层或水层作为天然屏障。锦屏山地下2400米的实验室，就是利用山体屏蔽宇宙线的一个得天独厚的极好的地下实验室。

除了宇宙射线，有些环境的岩石存在很高的放射性，不但对人体有害，对实验也是极其有害。但幸运的是，锦屏地下实验室的围岩放射性含量很低，一些放射性核素的含量比北京地区的岩石低了几百倍，是非常理想的低放射性围岩环境。

除了优选实验地点之外，清华大学领导开展的CDEX盘古高纯锗暗物质实验也给探测器设计了多层结构的屏蔽体。

高纯锗探测器的晶体先是真空封装在2mm厚的铜盒中——这层铜金属最好是在地下生长而成，因为长时间放置在地面上的铜会因为宇宙射线轰击而产生放射性，形成实验的干扰源——接着在铜的外层，加装了约20kg的超纯碘化钠主动反符合探测器，再向外的屏蔽体依次是20cm厚的高纯无氧铜、20cm厚的总重约60吨的铅、以及厚度为1m的重达600多吨的聚乙烯。每一层结构，都是对来自不同位置的干扰源进行屏蔽。

随着探测器的增大，在未来的吨级实验中，铅、铜、聚乙烯等结构的屏蔽作用会以液氮代替，我们计划把锗探测器悬挂在装有约2000立方米液氮的恒温器之中。

液氮不仅能给高纯锗探测器提供一个低温的工作环境，同时在高纯锗探测器四周厚度超过5m的液氮也是良好的屏蔽材料，可以很好地阻挡外部实验室的岩石和钢材等材料中的放射性，液氮自身带来的放射性本底也极低。

科研进展

暗物质直接探测实验的研究结果，可以用这张图来介绍：

可以把这张图想象成太平洋，有些区域像马里亚纳海沟，水深1万多米，有的区域水深只有一两千米，我们在里边捕鱼。每条线都代表着渔网，渔网扫过之处意味着没有抓到暗物质这种鱼，但下部区域渔网没有扫过的地方仍然可能存在暗物质这种鱼。

一方面，我们必须发展深海技术对更多区域进行扫描；另一方面，我们也需要把网做细，可以抓捕个头小一点的鱼。

锦屏地下实验室自2010年开始运行。2013年，清华大学领导的CDEX盘古实验交出了中国在暗物质领域的第一项直接探测实验结果。自2014年以来，盘古实验的1公斤锗探测器（CDEX-1）相继给出了多个暗物质物理模型下的国际最好结果。另外，10公斤锗探测器（CDEX-10）也在2018年得到了4-5GeV质量区间当时的国际最灵敏实验结果（见下图）。

不过，暗物质领域的竞争比较激烈，目前是意大利LNGS地下实验室的另一个实验在轻质量区给出了世界最领先的实验结果。但是领先优势比较小。

国际上多个暗物质实验组，包括我们中国的“盘古”CDEX和“熊猫”PandaX在内，都在你争我赶、争先恐后地开展实验工作，希望能够尽早发现暗物质。

科研与技术，1+1>2

前面也提到过：很多科研工作如果没有取得预期的研究成果，也不会意味着就是完全一无所获。只要按照科学方法认真工作，理论不管是被证实或被推翻，都是科学上的一种收获。

除此之外，基础科学研究的另一层意义，在于它对尖端技术发展的牵引。

借助对暗物质的研究，中国正在攻克高纯锗尖端技术链条上的一个个技术和工艺的难点。从锗的极微弱的放射性杂质控制、到锗工业的“皇冠”辐射探测器级锗单晶体的生长、高纯锗半导体探测器制备、低温低本底低噪声电子学系统等技术环节，我的团队成员在一些技术环节上已经取得了跟国际同行相当的水平，并且正在全链条不断深入研究，努力掌握高纯锗探测器自主研制的核心技术。

在暗物质基础研究牵动高纯锗尖端技术的同时，取得的尖端技术成果也回过头来反哺了另一个举世瞩目的前沿科学问题的研究，那就是中微子研究。

在标准模型里，6种轻子中包含了3种中微子，而这三种中微子最初认为是没有质量的。可是最终实验证明了，中微子也有质量，这相当于在被科学家认为是非常完美的粒子物理标准模型的房间墙壁上凿出了一个孔，使得人类可能从此处观察粒子物理标准模型之外的全新物理世界。

中微子性质研究也是当今粒子物理学界的研究焦点之一。历史上，中微子概念在1930年代被提出来之后，相关研究已经获得了4次诺贝尔奖，分别是1988、1995、2002及2015年。

现在中微子性质研究方面有一些非常重要的科学课题，包括中微子质量到底是多少？中微子家庭中有三兄弟，他们体重谁重谁轻？科学家已经知道大哥和二哥两人体重差不多，三弟和他们的体重差得比较多，但到底是三弟比他们重，还是比他们轻，目前还没有结论。

另外，还有一个重要课题，我们知道物质世界中有物质和反物质之分。那么中微子也有反粒子，但是有一种理论认为中微子和它的反粒子是相同的。这也是一个重要的中微子性质，无中微子双贝塔衰变实验可以给出这个问题的答案。

非常巧的是，高纯锗中的锗-76同位素就可能会发生这种无中微子双贝塔衰变过程，而且由于高纯锗探测器超强的能量分辨能力、极高的自身材料纯度等特性，使得高纯锗技术在无中微子双贝塔衰变实验中具有非常好的技术优势。

因此，我们在利用高纯锗探测器测量暗物质的同时，紧紧抓住高纯锗技术这个“牛鼻子”，通过建设富集锗-76的探测系统，就可以同时开展暗物质直接探测和无中微子双贝塔衰变两个重大前沿科学问题的实验研究。

结语

在我多年的科学研究历程中，一方面，我亲眼见证了我们国家的科研工作不断地向前迈进，取得了巨大成就，另一方面也深刻地感受到：科学研究的不断进步一刻都离不开我国经济的蓬勃发展。

未来我国科学研究和经济发展必将更加相得益彰，相互促进，推动我国科技、经济、乃至文化等各个领域全面发展进步，取得令世界瞩目的伟大成就。

※作者 | 岳骞

※整理 | 邱施运

※编辑 | 朱珍