LZ實驗探測裝置建在斯坦福大學地下研究設施中。

LZ設計原理是，當暗物質粒子與液氙原子碰撞時，液氙腔內的電子會向頂部飄移，迅速產生閃光。這些攜帶暗物質粒子信號的光脈沖，會被排列在大型容器內的500個光擴增管捕獲。

今日視點

號稱在世界三大直接探測暗物質粒子實驗中靈敏度最高，有望最先捕獲暗物質中弱相互作用重粒子（WIMPs）的美國LUX-ZEPLIN（LZ）實驗近日宣布重大進展：該項目順利通過美國能源部（DOE）第三階段評審，現有技術設計方案被確定為最終版本，并正式開始建造工作。

暗物質在宇宙成分中占比高達85%，提出至今已有80年之久，但現有證據完全基于引力測量等間接觀測，還沒有獲得直接觀測的第一手資料，因此其粒子特性仍保持神秘。歐洲、中國和美國已開始布局下一代暗物質直接探測實驗，在這一基礎物理研究最前沿領域展開良性競爭，希望奪得“第一”的寶座。

LZ這次加快進程，力爭2020年4月前完工并投入使用，勢必會讓美國在競爭中更具優(yōu)勢。

LZ實驗誕生始末

LZ實驗由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室負責管理，選址建在斯坦福大學地下研究設施（SURF）中，探測裝置將被放置在地下約1609米深處，除主要探測WIMPs，也將捎帶對軸子和中微子等展開探測。

2012年國際團隊提出，將大型地下氙（LUX）項目和液態(tài)惰性氣體閃光實驗（ZEPLIN）合二為一，組建世界上直接探測WIMPs最靈敏的LZ項目。2015年上半年，LZ通過第一階段評估，被確定為能源部官方項目，并隨后出臺這一階段的概念設計報告；2016年8月，LZ通過第二階段審議，望遠鏡、制造成本和時間表等關鍵議題均最終敲定；而在這次第三階段評審會上，能源部正式批準了最后設計方案，來自美國、英國、葡萄牙、俄羅斯和韓國等國37個研究機構的近220位科學家和工程師將展開合作，用7噸液氙探測銀河系暗物質與普通物質間的弱相互作用。

LZ設計原理是，當暗物質粒子與液氙原子碰撞時，液氙腔內的電子會向頂部飄移，迅速產生閃光。這些攜帶暗物質粒子信號的光脈沖，會被排列在大型容器內的500個光擴增管捕獲。

面臨兩大競爭對手

中國在暗物質直接探測領域表現出極大競爭力。位于屏錦地下實驗室的暗物質直接探測項目CDEX和PandaX近年發(fā)表了多次探測結果，其中PandaX項目也是基于液氙技術。中國還在積極推進這些實驗的二期建設，力爭5年到10年內實現最終目標：利用20噸到30噸級的液態(tài)氙實驗，探測大質量暗物質粒子；用1噸級高純鍺實驗探測輕質量暗物質；并積極參與國際合作。

歐洲下一代暗物質實驗主要基于3.5噸級液氙XENON1T和后續(xù)6噸級的XENONnT。XENON1T建造在意大利格蘭薩索國家實驗室，位于地下1400米深處，已在2015年末開始運行，但靈敏度不及已在2016年“退位”的LUX項目。而LZ的靈敏度提升為LUX的50倍，歐洲雖然在“起跑”時間上領先一步，但美國的LZ能容納10噸液態(tài)氙，且靈敏度更高，誰最先探測到WIMPs，尚難預料。

LZ項目發(fā)言人、馬里蘭大學物理學副教授卡特·霍爾表示，暗物質研究具有強大吸引力，深受全世界物理學家們追捧，因此，這類研究競爭是良性和友好的，獲得重大發(fā)現是同類研究的共同目的。

加快進程不甘落后

但競爭畢竟存在。在這么重要的領域，在同樣使用液氙探測暗物質信號中落后一步，美國當然不會心甘，因此決定加快日程，早日完工。

斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室負責為LZ實驗所用的液氙進行提純，主要去掉標準提純過程無法清除的痕量氪元素。雖然提純后的液氙目前已符合LZ實驗要求，但該實驗室還在繼續(xù)研發(fā)新方法，進一步提高氙的純度。

LZ實驗所需的線網已接受多次檢測，為確保這些線網在高壓實驗中沒有絲毫漏電，“淹沒”暗物質產生的微弱信號，全尺寸網線還將在今年晚些時候安裝到SLAC的測試平臺，進行實地測試。

為排除背景干擾，充滿液氙的大容器周圍需要環(huán)繞另一個充滿液體的容器罐和光電倍增管，這些管道將用世界上超純的金屬鈦制成，正在由英方工作人員進行組裝；另一個容器罐中的超純能閃光液體也準備就緒。具有濾塵功能的無塵工作室和無氡建筑也在加速建設當中。氡具有天然放射性，會對暗物質探測造成干擾。為排除各種背景信號，LZ實驗組考慮周全，力求完美。

因美國能源部此次承諾購買建造LZ系統(tǒng)的幾乎所有大型組件，參與實驗的科學家們信心倍增，并承諾會按照設定的時間表完工，第一個將暗物質信號“囊入懷中”。

（科技日報北京2月27日電）