实验原理

暗物质与已知的标准模型的粒子具有一定的关联。因此对于暗物质这种未知的粒子,我们可以通过探测已知的标准模型的粒子来测量。暗物质的探测有三种方法:(1)直接探测法,是一种利用暗物质与标准模型粒子发生散射产生反冲粒子进行暗物质粒子探测的方法。暗物质与靶核作用产生的反冲粒子可以产生电离、光或者热振动(声子)等信号,通过测量其中一种或者多种信号就可以得到暗物质的相关信息。(2)间接探测法,通过测量暗物质粒子湮灭或者衰变产生的次级粒子(伽马射线、正负电子、中微子和多频段的电磁波等)来获得暗物质的信息。测量工具一般是空间望远镜和地面望远镜等,典型的装置有费米大面积望远镜、阿尔法磁谱仪等。(3)对撞机实验方法,在对撞机上将标准模型的粒子加速到高能,然后碰撞湮灭可能会产生出暗物质,由于暗物质很难探测,会“消失,而产生的标准模型的粒子可以探测到。因此,通过这些可探测的成分和理论模型就可以推出暗物质的性质。

暗物质的这三种探测方法各有特点。直接探测法实验一般选择在地下实验室进行,这样可以尽量屏蔽来自宇宙的射线以及其产生的次级粒子,同时还可以设计建造屏蔽结构去屏蔽测量环境和探测器本身的本底,从而尽可能地排除干扰。实验测量手段也是多样的,可以测量电离信号、光信号和声子信号的一种或多种结合,探测器可以选择半导体探测器、闪烁探测器、漂移室等。直接探测法被认为是最有前途的方法。间接探测法实验可以自主选择暗物质分布可能集中的空间进行测量,但是由于这些宇宙空间的本底辐射很复杂,这会给分析带来了很大的不确定性。对撞机实验方法可以调节对撞粒子的初始状态,但是对撞的过程很复杂,实验本身会产生很复杂的本底,即使发现了新粒子也很难直接证明是暗物质粒子。因此,这三种方法是互补的,都有很重要的意义。

中国暗物质实验(China Dark-matter Experiment, CDEX)是采用直接探测的方法,利用点电极高纯锗(Point Contact Germanium detector, PCGe)阵列探测器探测暗物质的实验。由于暗物质与靶核作用产生的反冲核的能谱类似指数的分布,所以探测器的能量阈值越低,则可以探测到的暗物质事例数越多。点电极高纯锗探测器(Point Contact Germanium detector, PCGe)由于其读出电极的电容可以达到1pF,因此其能量阈值可以达到~100eV,对低质量的暗物质粒子很灵敏。到目前为止,中国暗物质实验一期(CDEX-I)的两台原型探测器:20g极低能量阈高纯锗探测器的能量阈值达到了172eV1kg点电极高纯锗探测器(世界第一个单体达到1kg)的能量阈值也达到了400eV。在此基础上升级的1kg点电极高纯锗探测器的能量阈值已经达到了约200eV